Введение.

Пока дебильная Грета плывет в Европу и зеленый шабаш временно  поутих, рискну воспользоваться открывшимся «окном» и все же вынести на обсуждение нижеследующую статью.  Всем, кто не в состоянии представить, что кроме черных или зеленых бесов (ВИЭ vs НВИЭ) человеческое сознание ничего породить не может, лучше не читать - что-то я нынче не в настроении работать учителем младших классов.
Сразу оговариваю и в конце отдельно разберу:  может быть, будущее не так страшно,  но нет гарантии, что не будет  ещё хуже. Просто пока никакого иного расчета на базе науки физики сделать невозможно, нет данных. Поэтому ограничиваемся только твердо установленными фактами.

Главные определения:

Второе начало термодинамики. В изолированной системе энтропия остаётся либо неизменной, либо возрастает (в неравновесных процессах), достигая максимума при установлении термодинамического равновесия (Закон возрастания энтропии). Иначе говоря, вся используемая и просто имеющаяся  на Земле энергия, в каком бы виде она не была – механическая, химическая, электромагнитная, термоядерная и проч. и проч. превращается в конечном итоге в тепло и нагревает сначала атмосферу, потом атмосфера нагревает воду и  грунт.

Закон Стефана-Больцмана: Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры:

W= kT⁴,                                  (1)

где W - плотность мощности, T – абсолютная температура,   k- постоянная Больцмана    

Постановка задачи: Исходя из законов термодинамики найти  предельную  температуру, при которой наша цивилизация погибнет и вычислить, когда это случится.

Исходные данные:

I. Очевидно, что температурный  предел близок к температуре человеческого тела, 40^оC.

 

Рис.1. Изменение мощности человеческого организма в зависимости от температуры воздуха

Это близко к той температуре, при которой вода (составляющая значительную часть человеческого тела) имеет наименьшую теплоемкость. Можно защититься от небольшого «периодического» (день-ночь) тепла ватным стеганым халатом – и тогда можно жить днем при температуре своего тела (однако  ночью нужно иметь возможность охлаждать халат))).  Но постоянно находиться в атмосфере с температурой выше 40^оС невозможно, это означает перегрузку сердечно-сосудистой системы, тепловой удар и смерть. Специально подчеркну – от среднегодовой никак не спрятаться: любой кондиционер будет нагревать нашу несчастную  атмосферу сильнее,  чем охлаждать вашу тушку.

По последним данным НАСА, средняя температура Земли сейчас составляет +15,5°С. И так, наш температурный запас для выживания составляет 25^оС.

II. Скорость роста потребления энергии

Тенденция энергопотребления и численности населения за 300 лет с начала промышленной революции XIX в. по С.П.Капице:

где  N  = численность населения

Рис.2  Зависимость энергопотребления от численности населения в двойном логарифмическом масштабе

В линейном масштабе этот же график выглядит более угрожающе:

Рис.3 Зависимость энергопотребления от численности населения в линейном  масштабе

«Энергетика прямо отвечает скорости роста населения, как если бы человечество было машиной»(с) С.П.Капица.

Для дальнейшего отметим и замечание Холдрена [Holdren J. Population and the energy problem// Population and Environment. J. Interdiscipl. Stud. 1991. Vol.12, N3.] : с 1850 г. рост потребления энергии был в два раза выше, чем рост населения мира.

Таким образом, скорость роста потребления энергии  оказывается пропорциональной достигнутому производству энергии и вдвое выше скорости роста населения, это экспоненциальная зависимость.

III. Тепловой баланс Земли

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4 Тепловой баланс Земли

Первое, что бросается в глаза при рассмотрении данной диаграммы, это то, что в наше время вовлечение невозобновляемых источников энергии (НВИЭ) ничтожно, по сравнению с природными потоками мощности.

При втором взгляде видно, что при транзитном потоке мощности через Землю в 341 Вт/м²_,  из которых 102 Вт/м² сразу же отражается в космос, так что для Земли остается всего 239 Вт/м², внутри этой  системы «крутятся» заметно большие мощности – 531 Вт/м² в атмосфере и 491 Вт/м² на поверхности. Т.е. налицо «эффект термоса» - баланс энергий соблюдается, но внутри системы энергия (и температура) выше.  Можно отнести это на счет пресловутого парникового эффекта, но о нем поговорим в самом конце, ибо «я не нуждаюсь в гипотезе парникового эффекта» (с) .

А с третьего взгляда мы можем вычислить, что будет, если НВИЭ продолжит возрастать.

Расчет

Конвекцией и испарением можно в первом приближении  пренебречь:

Конвекция зависит только от разности температур поверхности Земли и атмосферы, поэтому сочтем её в первом приближении постоянной "и ныне, и присно и во веки веков".

Испарение зависит от абсолютной температуры, но в интересующем нас узком диапазоне 15 …. 40 ^оС оно приблизительно линейно (±5%) и переносимая им энергия выражается формулой:

W_w(T) ~ 0,86 (T–Т_о),                                     (2)

 где W_w(T) –  плотность мощности на 1 м² поверхности Земли..

И хотя в наше время  значение испарения и конвекции ещё заметно,  с ростом температуры их доля по сравнению с излучением  уменьшится пропорционально корню третьей и четвертой степени из температуры, соответственно. Поэтому пренебрежем в расчетах испарением и конвекцией, желающие могут сами прибавить их ниже к окончательному результату – разница с рассчитанным  результатом будет менее 5%.

Остальные переносчики энергии = тепловые излучения и их удельная мощность согласно закону Стефана-Больцмана (1) для излучения абсолютно черного тела пропорциональна Т⁴. Однако постоянную Больцмана в случае реальных излучающих тел, отличных от абсолютно черного тела, надо заменять на другие коэффициенты, которые будет отражать свойства этих физических тел. Эти  константы определяются экспериментальным путем.

У нас есть данные по излучению рис. 4 при  температуре 15 ^оС. Несмотря на то, что  все источники излучения имеют разные коэффициенты пропорциональности  в уравнении Стефана-Больцмана, сами они в диапазоне +12,5 К приблизительно постоянны и потому просто суммируем их, т,е.  попытаемся рассчитать температуру по сумме всех потоков.

Предположим также, что в каждый момент времени наблюдается динамическое равновесие во всех частях планеты и атмосферы, т.е. соблюдается баланс. На самом деле это не так, это довольно сильное предположение, но, прошу поверить: при строгом расчете оно на окончательный результат никак не влияет.

Итак, используем приведенные на рис. 4 значения мощностей для определения обобщенного коэффициента в балансе мощностей для атмосферы:

Дано:

W_о = k·Т_о⁴ = 239, Вт/м²; Т_о= 288, К                                          (3)

Находим обобщенное значение  для реальной постоянной Больцмана:

k = W_о/Т_о⁴ = 239(Вт/м²)/288⁴(К⁴)=3,5·10^-8,Вт/(м²·К⁴)              (4)

Следовательно:

W_нвиэ = W_x-W_o = k·Т_х⁴-W_o = 3,5·10^-8·Т_х⁴– 239, Вт/м²                 (5)

Или:

Т⁴ =(W_нвиэ+239)/3,5·10^-8 K⁴                                                                     (6)

Извлекаем корень 4-ой степени и получаем окончательное выражение для зависимости абсолютной температуры от плотности мощности НВИЭ:

Т= ⁴√(2,9·10⁷ · (W_нвиэ + 239), К                                                      (7)

В этом расчете не приняты во внимание глубинные источники тепла –  радиоактивный распад и гравитационное сжатие. Они дают всего лишь 1/5000 от потока Солнечной энергии, падающей на Землю,  и в 3 раза меньше современного потока от НВИЭ. Поэтому для простоты этой добавкой пренебрегли.

Осталось рассчитать скорость возрастания НВИЭ во времени.

По мнению С.П.Капицы: «Опережающая зависимость производства энергии от населения, по-видимому, сохранится. Она прослеживается в прогнозах развития энергетики мира на следующее столетие проведенных Моppисоном  С середины позапрошлого века до конца нынешнего века  население мира вырастет в 10 раз -- от 1,13 млрд.  в 1850 г. до 11 млрд. в 2100 г.-- а потребление энергии в 100».

Итак, энергопотребление растет в 6 раз каждые 100 лет. В литературе есть и более жесткий прогноз – в 8 раз каждые 100 лет.

Тогда по формуле (7):

Рис. 5 Рост температуры Земли от времени

Выводы.

1. При  сохранении темпов потребления (тут должно быть слово «энергия», но я его  сознательно опускаю) человечество погибнет от созданного им перегрева планеты  уже через 350 лет. Но уже через 250 лет будет поздно дергаться - никаких мер разжиревшее человечество на перспективу предпринять уже не сможет, только клепать кондиционеры, для своих тушек, ускоряя тем самым рост температур.

2. Если, к вящему удовольствию черных бесов, начавшиеся 15 лет назад активные попытки промышленного использования ВИЭ успехом не увенчаются и человечество продолжит упорно сжигать углеводороды, радиоактивные материалы и, не дай Бог,  все же освоит термояд, то времени будет упущено еще больше.

3. Запасы ископаемого органического топлива составляют 5 10²² Дж

∫₀³6^tdt = ∫6^tdt = 6^t/1,791 +C = 5·10²⁰(6³-1)/ 1,791 = 6·10²² Дж                  (8)

Запасы органического топлива будут исчерпаны полностью через 280 лет

Запасы ядерного топлива, с учетом бридеров и тория  10²⁴ Дж 

∫₀⁵6^tdt = ∫₀⁵6^tdt = 6^t/1,791 +C = 5·10²⁰(6⁵-1)/ 1,791 =2,27·10²⁴ Дж               (9)

Запасы органического и ядерного топлива, с учетом бридеров и тория, в сумме  будут исчерпаны полностью через 400 лет

Запасы термоядерного топлива  составляют 3 10³⁰Дж

∫₀¹¹6^tdt = ∫₀¹¹6^tdt = 6^t/1,791 +C = 5·10²⁰(6¹¹-1)/ 1,791 = 1·10²⁹ Дж                (10)

Запасы термоядерного  топлива будут исчерпаны через 1400 лет

Таким образом, все рассуждения на тему исчерпания запасов и энергоносителей, и рудного сырья – бессмысленны. Человечество не успеет их исчерпать до того, как поджарится на собственной глупости и жадности.

4. Человечество не успеет за 350 лет эволюционировать к более термостойкому виду, на это требуются многие миллионы лет. 

Как вариант – создание роботов с ИИ, Земля переименовывается в планету Железяка. Нам есть смысл ударно вымирать, ради  нового вида механических животных?

Другой вариант – ударными темпами, ускоренно используя имеющиеся на Земле НВИЭ,  создать поселения в холодном и враждебном жизни космосе, окончательно угробив Землю и бросив на ней умирать миллиарды людей, которых "не берут в космонавты".

5. Если отказаться навсегда от НВИЭ и пользоваться только термоядерной энергией Солнца, которая падает на поверхность Земли, то можно будет просуществовать на нашей планете порядка 7 млрд. лет, пока Солнце не взорвется, но ни о каких массовых полетах и освоении космоса и речи не будет. 

6. Понятно, что истина где-то посередине:  нужно и солнечную энергетику развивать, и где надо аккуратно использовать невозобновляемую энергию. Но хватит ли у человечества разума, найти и соблюдать миллионы лет такой баланс, если  так удобно и дешево не развивать ВИЭ? Пока даже на АШ такой разум отсутствует, преобладает: "После нас хоть потоп!".

7. Но и  в оптимальном промежуточном  случае есть неприятность:  поток солнечной энергии на Землю составляет 3,8 10²⁴ Дж/год, однако реально использовать (по разным оценкам) удастся значительно меньшую величину: 0,2 – 5 10¹⁹ Дж/год. А человечество уже сейчас, в 2019 г.,  потребляет 3 10²⁰ Дж НВИЭ.

Следовательно,  придется либо сократить потребление в 25 - 100 раз, либо сохранить достигнутый уровень, но сократить и поддерживать на постоянно низком уровне население.  И ни о каком прогрессе на эти жалкие джоули речь уже не идет.

Обсуждение. Может ли человечество жить в чае?

Рис. 6 Иллюстрация из «Алисы в стране чудес»: может ли ореховая соня жить в чае?

Оптимисты  всегда возражают, что надо надеяться и кто-нибудь, когда-нибудь создаст такую технику и технологию,  что энергии не надо будет, но все будут в шоколаде.

Вот так примерно, без каких-либо доказательств:

Рис. 7 Потребление энергии оптимистами

У меня, в свою очередь,  на это нет комментариев. "Блажен, кто верует, тепло (и будет ещё теплее!) ему на свете"(с)

А статистика пока говорит об обратном: каждое новое поколение Homo Sapiens   многочисленнее предыдущего и желает жрать и гадить ещё вдвое больше:

Рис. 8 Детский сад.

Вообще-то  энергосбережением занимались безуспешно  и при СССР, и в 2000 г. принимали Стратегию, и с 1 января 2010 года вступил в силу Федеральный закон «Об энергосбережении по повышению энергетической эффективности» № 261-ФЗ от 23.11.2009г.».  А Распоряжением Правительства от 13.11.2009 г. № 1715-Р утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.».

О чем же свидетельствует практика, критерий истины?  При фактическом росте валового внутреннего продукта страны на 65 процентов к уровню 2000 года и отклонении от прогнозов Энергетической стратегии России на период до 2020 года на 11 процентов (снижение  из-за кризиса 2008 г.) фактический прирост добычи и производства топливно-энергетических ресурсов составил 26 процентов к уровню 2000 года. При том, что  по оценкам Института энергетических исследований РАН, потенциал энергосбережения составляет около 40-45% всего энергопотребления страны, из них 10-15 % – за счет малозатратных и 30-35% – за счет капиталоемких мероприятий.

В чем же причина? Давайте сбережем, наконец, планету, мать вашу!

Увы,  оказывается,  энергосбережение – не дешевая штука. Нужно ежегодно тратить до 6 – 7 % ВВП, т.е. стоимость её сравнима или даже превосходит  пресловутые и совсем не дешевые ВИЭ. Так что  ни государству, ни бизнесу, ни обывателю энергосбережение не интересно.

Ещё оптимисты любят цитировать С.П.Капицу, автора «Сколько людей жило, живет и будет жить на земле. Очерк теории роста человечества».  Он так описывает основу своей феноменологической теории из двух пунктов:

«.. модель нарезает всю историю человечества на одинаковые (не по длительности, а по содержательности) куски, на протяжении каждого из которых жило около десяти миллиардов человек».

Очевидно, что это не так, ибо таких кусков по его же подсчетам (90 млрд. человек вида Homo sapiens) должно было быть не меньше 9 штук. Он называет только промышленную революцию.  И из этой несуществующей статистики он выводит свой гиперболический закон роста населения. Это слабая и недоказуемая аргументация, типа «высосано из пальца». 

И далее:

«Сжатие исторического времени сейчас дошло до своего предела, оно ограничено эффективной продолжительностью поколения – около сорока пяти лет (!? - BERES)».

Не смешно.

В общем, как сказал великий В.Гексли:

«Математика подобно жернову перемалывает то, что под него засыпают, и как засыпав лебеду, вы не получите пшеничной муки, так, исписав целые страницы формулами, вы не получите истины из ложных предпосылок». Точка.

А с пессимистами поговорим о парниковом эффекте.  Приведенные выше расчеты парниковый эффект не учитывают, и если он есть – то перегрев наступит гораздо скорее – те самые эмпирические «постоянные» Больцмана  будут меняться в зависимости от химического состава атмосферы.

Спешу  развенчать эту мульку, вслед за великим американским физиком Робертом Вудом (ну, какая страна, такие и великие)))  опубликовавшим 110 лет назад(!) в 1909 году статью  в журнале Philosophical Magazine под названием "Note on the theory of the greenhouse".

В своих экспериментах он использовал два одинаковых черных теплоизолированных короба, один из которых был накрыт стеклом, а другой - пластинкой галита (каменной соли). В отличие от оконного стекла, каменная соль пропускает инфракрасное излучение, а значит, не может играть роль радиационной ловушки. Внезапно, сначала температура в коробке под галитом оказалась даже выше, в силу его более широкой полосы пропускания. Чтобы нивелировать этот эффект, солнечный свет пришлось фильтровать через дополнительный стеклянный экран. В итоге, температура в обоих коробках установилась на отметке 55°C, различаясь менее чем на градус. И это при том, что полоса пропускания галита такова, что подавляющая часть энергии теплового излучения сквозь него должна была пройти без поглощения, тогда как стекло для инфракрасного части спектра наглухо непрозрачно.

Так что нет никакого парникового эффекта, это фейк, в котором заинтересованные лица поменяли местами причину = рост температуры под действием Солнца,  и следствие = возрастание содержания CO₂ в атмосфере. Такова цена черных и зеленых бесов. И те, и другие «добрые, но плохо информированные подростки» (с), ничего полезного для человечества не несут, кроме прибылей своим заказчикам.