Социотехногенез
(опущены разделы 3.1 Роль и место человека в биосфере, 3.2 Основные этапы становления СТГ)
3.3 Общая характеристика подсистемы "Социотехногенез"
3.3.1. Понятие о техносфере, техногенезе,
антропогенных ресурсных циклах
Человек (человечество), являясь частью биосферы в процессе своей жизнедеятельности вступает в постоянный контакт с биосферой. Природные процессы все теснее переплетаются с антропогенными, между ними усиливаются обмены веществом и энергией, возрастает обмен информацией.
Для более глубокого исследования процессов взаимодействия человека с природой многими специалистами используется понятие о самостоятельной оболочке Земли – техносфере.
Техносфера может быть определена как та часть биосферы, а в настоящее время можно говорить не только о биосфере, но и более широких сферах космического пространства, современное состояние которой определяется наряду с эволюционным развитием природы, процессами имеющими техногенное происхождение, то есть техногенезом.
Термин "техногенез" введен в среду специалистов в 1922 г. российским ученым А.Е. Ферсманом, а в настоящее время широко используется как в специальной научно-технической литературе, так и в общих изданиях.
В современном понятии техногенез – это процессы перемещения (перераспределения), происходящие в результате технической деятельности людей. Посредством этого термина выражается геохимическая интерпретация глобальной производственной и социальной деятельности человечества.
Вся антропогенная, производственно-хозяйственная, природопользовательская деятельность человека протекает в границах техносферы, которые самим же человеком постоянно раздвигаются и расширяются.
В связи с тем, что термины техносфера и техногенез связаны с деятельностью всего человечества, т.е. социума, автор настоящего учебного пособия использует термин социотехногенез.
Для получения энергии, создания необходимой продукции человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный круговорот, или ресурсный цикл.
Ресурсный цикл – это совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком.
Термин "цикл" подразумевает замкнутость, однако на практике это свойство в точности не осуществляется даже в природных процессах, так как всегда имеет место рассеивание вещества в космическое пространство Функционирование последних связано, по крайней мере, с обязательным рассеиванием (потерей) энергии.
Ресурсные антропогенные циклы во всех случаях не замкнуты. Более того, можно утверждать, что это имманентное свойство ресурсных антропогенных циклов. Это особенно важно иметь в виду, ибо отсюда вытекает абсурдность идеи безотходного производства. На каждом этапе ресурсного антропогенного цикла неизбежны потери не только энергии, но и вещества. Полагают, что точный расчет изменения массы материальных ресурсов неизбежно показывает, что при осуществлении ресурсного цикла рассеивается до половины и более исходного минерального сырья, а с включением в цикл "жизни" продукции (время использования ее потребителем) рассеивается около 95% исходного сырья. При этом необходимо понимать, что рассеивание 95% исходно извлеченной массы вещества, то есть практическая разомкнутость ресурсного цикла, означает лишь его невозвратность к месту его извлечения, то есть его распространение с учетом всех переделов и трансформации в готовую продукцию по всем странам, по всем континентам. Практически же, почти все 100% извлеченной массы вещества остаются на Земле и поэтому в глобальном масштабе всей планеты техногенные ресурсные циклы подобны природным, то есть имеют замкнутость близкую 100%.
В природопользовании можно выделить несколько ресурсных циклов, которые, несмотря на относительную самостоятельность, тесно связаны друг с другом. К таким ресурсным циклам можно отнести:
- цикл почвенно-климатических ресурсов;
- цикл сельскохозяйственного сырья и продукции;
- цикл природных материально-сырьевых ресурсов;
- цикл энергетических ресурсов;
- цикл природных биологических ресурсов.
В народном хозяйстве страны основными природопользователями в первую очередь являются те отрасли, деятельность которых непосредственно базируется на природных ресурсах и целиком зависит от их получения и использования. С точки зрения экономики необходимо особо выделить следующие отрасли-природопользователи:
- энергетика,
- добывающая и обрабатывающая промышленности,
- строительство (промышленное, гражданское, транспортное, сельское),
- транспорт и связь,
- агропромышленный комплекс, лесное и промысловое хозяйство,
- коммунально-бытовой сектор.
Все эти отрасли - потребители минерально-энергетических, водно-земельных и биологических ресурсов. Современное промышленное производства базируется на системе так называемых энергопроизводственных циклах, среди которых можно выделить [9]:
- пирометаллургический цикл черных металлов, химико-металлургический цикл цветных металлов, химико-металлургический цикл редких металлов, нефтеэнергохимический цикл, углеэнергохимический цикл другие в добывающей и обрабатывающей промышленности;
- машиностроительный цикл, текстильнопромышленный цикл в отраслях промышленности готовой продукции.
В умеренно расширенном списке насчитывается 18 энергопроизводственных циклов.
Для всех энергопроизводственных циклов характерна следующая модель природопользования:
добыча сырья и энергоресурсов —> первичная обработка сырья и энергоресурсов (например, производство электроэнергии) —> получение полуфабрикатов —> получение готовой продукции в виде предметов потребления —> транспорт, торговля, услуги —> потребление —> сбор и складирование производственных и "отложенных" отходов —> переработка отходов и другие природовосстановительные мероприятия.
3.3.2. Оценка основных параметров техносферы,
баланса материальных и энергетических потоков
Техносфера, которая в каждый текущий момент времени представляет собой некоторое результирующее состояние природопользования, может быть описана и охарактеризована следующим образом (по данным учебного пособия [9.])
Общая масса техносферы по различным оценкам составляет около 20 Тт [16], основную ее часть образуют скопления пустой породы горных разработок, отработанных руд, перемещенныхx грунтов, производственных отходов, а также оставленные сооружения, развалины, "культурные" слои на земле и под землей, т.е. накопленное за всю историю человечества техногенное вещество.
"Действующая" техносфера – используемые людьми сооружения, орудия производства, предметы потребления, основные производственные фонды составляют 150-200 Гт. В них преобладают капитальные сооружения со сроками амортизации на многие десятки лет.
Наиболее активная часть техносферы — вся совокупность орудий производства – имеет массу порядка 10-15 Гт и обновится в настоящее время примерно за 100 лет, т.е. со скоростью около 0,15Гт/год.
Основными показателями, по которым можно оценивать масштабы и интенсивность преобразования биосферы являются характеристики и параметры глобальных потоков техногенной энергии и круговорота масс извлекаемого и перерабатываемого вещества, их ресурсные циклы.
За последние 100 лет мировое потребление энергии увеличилось в 12 раз (в среднем в 2 раза каждые 27 лет). Суммарное потребление первичных ресурсов и энергоресурсов за этот период превысило 350 млрд. т условного топлива
Структура топливного баланса большинства стран мира изменилась в эти годы с переходом от потребления дров и угля к нефти и газу (до 65%), а также из-за заметного вклада гидроэнергетики и ядерной энергетики (в сумме до 9%). Некоторое значение начинают приобретать альтернативные энергетические технологии.
Относительный вклад различных энергоносителей в общее мировое энергопотребление характеризуется следующими средними показателями:
уголь – 27%,
нефть – 34,
газ – 17,
гидроэнергия – 6,
ядерная энергия – 8,5,
прочие источники – 7,5%.
Все первичные источники энергии имеют мощность около 14 ТВт.
Электроэнергетика занимает в настоящее время чуть более 25% энергобаланса техносферы, а именно: 3,52 ТВт.
Вклад главных сырьевых источников в производство электроэнергии таков:
уголь – 42%,
нефть – 10,
газ – 16,
гидроэнергия – 19,
ядерная энергия - 12%.
Оставшиеся чуть менее 75% энергобаланса техносферы а именно: 10,48 ТВт образуется от сжигания следующих видов топлив:
нефть и нефтепродукты – 48%
уголь - 24%,
газ - 18%,
растительное топливо- 10%, не имеющее промышленного значения.
В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место занимает производство (46%), второе – коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье – транспорт (17%).
Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%.
Энергетическая мощность современной техносферы приблизительно равна 6% продукционной мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и "грязные" источники.
Усредненная глобальная картина складывается из совершенно разных энергетик отдельных стран и регионов. Диапазон различий плотностей энергетических потоков (отнесенных к площади или к населению страны или региона) очень велик: почти от 0 и до 2 МВт/км2 (Бельгия) и от 0,5 до 18 000 кВт/чел. (США) соответственно.
Представление о глобальном движении массы вещества в техносфере дает схема глобального антропогенного материального баланса, разработанная Акимовой Т.А. и Хаскиным В.В. [16], приведенная на рис.2.2, заимствованная автором из учебного пособия [9]. Необходимо заметить, что эта схема имеет принципиальный недостаток, заключающийся в разорванности потоков вещества и, как следствие, в отсутствии суммарного баланса как такового.
В схеме Акимовой Т.А. и Хаскина В.В. отсутствуют замыкающие связи, исходящие из трех основных компонент биосферы атмосферы, гидросферы и литосферы, которые должны быть направлены в блоки схемы: - «Минеральное сырье», «Ископаемое топливо» и в еще один блок «Биота», который следует к ним добавить в качестве логически необходимого дополнения (см. откорректированный автором настоящего учебного пособия рис.2.3).
Кроме того анализ схемы, представленный на рис.2.2 свидетельствует и об отсутствии частных балансов. Так в литосферу ежегодно недовозвращается масса вещества 1,6 Гт, в гидросферу – 3,6 Гт, а в атмосферу – 1,1 Гт., что в сумме составляет 6,3 Гт.
В откорректированной схеме (см. рис.2.3) эти дисбалансы устранены. Получен нулевой баланс массообмена по элементам «Производство» и «Продукция». Баланс же элемента «Нетто-потребление» при принятых на схеме данных обмена веществом с другими элементами схемы положителен и составляет 6,3 Гт., что в точности совпадает с недовозвращенной массой вещества в исходной схеме (рис.2.2). Таким образом видно, что общий глобальный баланс потоков вещества в техносфере соблюдается, что говорит о логически верно выстроенной схеме глобального баланса потоков вещества в техносфере.
Рис. 2.2. Глобальный антропогенный материальный баланс {в Гт). Толстые стрелки – прямые связи, тонкие – обратные связи [8].
Рис.2.3. Глобальный антропогенный матиальный баланс в Гт (откорректированный)
Об эквивалентности соотношения единиц измерения массы, энергии и информации.
Выше были рассмотрены потоки вещества и энергии в техносфере. В ней, также как и в биосфере, существует еще и потоки обмена информацией. Для общего представления и описания потоков вещества, энергии и нформации необходимо знать основные физические связи и эквиваленты между ними.
Ниже приводятся примеры формализации таких связей с использованием нескольких широко известных физических законов:
1. Формула Эйнштейна
Е = т с2,
где Е – энергия, Дж; т – масса, кг; с – скорость света в вакууме (3 • 108 м/с).
2. Термодинамическое соотношение
Е = Т S,
где Т – абсолютная температура, К; S – энтропия, Дж/град.
3. Формула Планка-Больцмана
S = к In W,
где к – постоянная Больцмана (1,4 • 10~23 Дж/град); W – термодинамическая вероятность микросостояния макросистемы.
4. Выражение Л. Блюменфельда (при условии, что все микросостояния равновероятны)
I = log2 W = 1,4427. W, или In W = 0,6931•I,
где I– количество информации, бит.
5. Подставляя (4) в (3), имеем
S = (1,4. 10-23. 0,6931) = 9,57•10~24 (бит).
Таким образом, подтверждается, что понятие «энтропия системы» можно трактовать как количество информации, недостающее для ее полного описания.
6. Принимая T в выражении 2 равным 310 К (по Акимовой и Хаскину соответствует оптимальной биологической температуре) и подставляя значение S, получаем энергетический эквивалент единицы информации:
Е, = (9,57. 10-24 • 310) = 3 • 10-21 (Дж/бит).
Можно констатировать, что информация сама по себе энергетически весьма дешевая.
7. В соответствии с формулой Эйнштейна энергетический эквивалент массы равен 8,99 • 1016 Дж/кг.
8. Сопоставляя энергетические эквиваленты информации и массы, получаем информационный эквивалент массы
I = (8,99.1016) / (3.1021) = 3. 107 (бит/кг)
и массу единицы информации, равную 3,3. 10 -38 кг.
Техногенные ресурсы