[53]. Что именно явилось последним сокрушительным ударом для динозавров, по-прежнему обсуждается: хотя от удара астероида выделилась энергия, в миллион раз превосходящая энергию самой большой водородной бомбы, но все-таки это было локальное событие. По одной из версий, удар привел к образованию гигантской волны цунами в океане. Другая версия гласит, что на Земле пролились токсичные ливни из-за никельсодержащих веществ, которые часто присутствуют в астероидах. Есть и третья версия: некоторые исследователи считают, что динозаврам просто не повезло.
То место, куда упал Чиксулубский астероид, было богато углеводородами, в частности, нефтью. Такой богатой концентрацией углеводородов могут похвастаться лишь 13 % поверхности Земли. От сильнейшего удара они должны были воспламениться и выплеснуть в стратосферу огромный шлейф дыма, перемешанного с сажей[54]. Находясь в высоких слоях над поверхностью Земли, не участвующих в «кухне погоды», эти вещества висели там долгие годы. Их не могли смыть никакие дожди. Покров над Землей заслонил солнечный свет и погрузил планету в условия убийственной зимы.
И сейчас впервые в истории мы начали осознавать реальную опасность, которая может нам грозить в результате столкновений с небесными телами. Исследования зафиксировали десятки тысяч тел, орбиты которых пересекаются с Землей и которые потенциально могут вызвать катастрофу. Но, по сути, наш технологический уровень развития не позволяет нам справиться с потенциально опасными астероидами, многим из которых, кстати, присвоены имена знаменитых людей. Есть предложение направлять к таким астероидам космические корабли и разрушать их прямо в космосе – но это лишь раздробит астероиды на мириады меньших по размеру осколков, которые все направятся в сторону Земли по той же самой траектории. Лучшая стратегия, по-видимому, состоит в том, чтобы высадиться на астероиде и устроить на нем направленный взрыв. Таким образом можно было бы «столкнуть» астероид с его орбиты и постепенно заставить его двигаться по безопасному для нас пути. Но, поскольку такие космические технологии пока еще на грани фантастики, нам остается надеяться на лучшее – на то, что нам повезет больше, чем динозаврам. На всякий случай задайтесь вопросом: что вы можете успеть сделать, если узнаете, что на все про все у вас осталось не более 10 секунд!
14. Секрет солнечного светаЭнергетический кризис Земле не грозит
Только энтропия дается легко.
Сколько энергии получает Земля от Солнца? Как ни странно, нисколько. Вся солнечная энергия, изливаемая Солнцем на Землю, переизлучается обратно в космос[55]. Если бы это было не так, Земля постепенно нагрелась бы до такой степени, что превратилась бы в расплавленное месиво.
Но если все живые создания на Земле – не говоря уже о многочисленных устройствах, которые мы создали в нашей глобальной технологической цивилизации – питаются в конечном счете не от солнечной энергии, то от чего? Есть такое понятие – полезная солнечная энергия. Здесь есть тонкий нюанс, но в нем заключена вся суть. Проблеме того, как именно Земля перерабатывает солнечную энергию и в в конце концов удаляет ее обратно в космическое пространство, посвящена наука термодинамика.
Следует учесть, что частицы солнечного света, фотоны, излучаются с поверхности Солнца, температура на которой – примерно 5500 градусов Цельсия. С другой стороны, средняя температура поверхности Земли гораздо ниже, примерно 20 °C. Следовательно, энергия излучаемых Землей фотонов гораздо меньше.
При сравнении энергии этих фотонов удобнее пользоваться температурной шкалой Кельвина. Нуль по шкале Кельвина (0 К) – наименьшая возможная температура, она соответствует –273 градусам по шкале Цельсия[56]. Если температура на поверхности Солнца составляет 5800 К, то средняя температура Земли – примерно 300 К. Это означает, что энергия фотонов, излучаемых Землей, в 300/5800 раз – или примерно в 20 раз – меньше энергии фотонов, приходящих от Солнца. Поскольку общая энергия Земли не увеличивается – она не поглощает фотоны – получается, что на каждый высокоэнергетический фотон, приходящий от Солнца, Земля излучает 20 низкоэнергетических фотонов.
Конечно, проследить за одним фотоном легче, чем за двадцатью. И упорядоченные источники энергии легче поддаются «дрессировке» – их проще заставить производить «работу», говоря научным языком. Другими словами, один фотон, полученный от Солнца, казалось бы, легче привлечь к «полезной деятельности», чем те 20 фотонов, которые Земля излучает в ответ.
Давайте сейчас совершим небольшой экскурс в историю техники и рассмотрим устройство парового двигателя. Паровые машины – двигатели промышленной революции XIX века, но не только в этом заключается их значение. Оказывается, это устройства поистине универсального значения. Ученый-химик Питер Эткинс так описывает процесс, которому подчиняется работа паровой машины: «В основе всех наших действий, от пищеварения до художественного творчества, лежит принцип работы парового двигателя»[57]. Действительно, паровые двигатели на фундаментальном уровне иллюстрируют принцип преобразования энергии для совершения работы и делают это настолько хорошо, что сама наука термодинамика начала развиваться именно благодаря их исследованию.
В паровом двигателе пар при высокой температуре толкает подвижную заслонку, или «поршень», который преодолевает давление воздуха. При совершении работы пар охлаждается и превращается в воду. Это основной принцип: некое тело с высокой энергией (с высокой температурой) совершает работу, в результате чего его энергия (температура) понижается.
В конечном счете каждый процесс во Вселенной может быть сведен к работе парового двигателя. Тепло при высокой температуре совершает «работу» – приводит в действие поршень или что-либо другое, – в результате чего температура понижается.
Температура характеризует величину случайных микроскопических движений. Высокая температура пара объясняется тем, что его молекулы (по сути, молекулы воды) быстро носятся во всех направлениях подобно рою рассерженных пчел. Ударяясь о поршень и толкая его, молекулы передают часть своих случайных движений поршню; он при этом двигается вперед, а движение молекул замедляется. Температура падает, и пар превращается в воду.
Вы могли бы подумать, что всю тепловую энергию молекул пара можно направить на совершение работы. Но это не так. Дело в том, что только часть молекул двигаются в нужном направлении, заставляя поршень перемещаться вперед, а перемещения большинства из них весьма беспорядочны. Этот принцип фундаментальный: энергию никогда нельзя превратить в работу со стопроцентной эффективностью.
Количество энергии, которое способно совершать полезную работу, называется эксергией. При низкой температуре энергия обладает меньшей эксергией, чем то же количество энергии при высокой температуре. При понижении температуры энергия как бы утрачивает свою способность работать. Этот принцип приложим к разным процессам, касается ли он конденсации воды в паровом двигателе или излучения фотонов планетой в безвоздушное пространство. В нескольких словах принцип преобразования Землей солнечной энергии можно описать следующим образом. Наша планета получает высокоэнергетические фотоны от Солнца, которые затем участвуют в многочисленных биологических и технологических процессах, – на фундаментальном уровне все это сводится к работе паровой машины. Эти фотоны постепенно теряют свою энергию, а следовательно, и способность совершать полезную работу. В конце концов они излучаются обратно в космическое пространство, становясь «бесполезными», низкоэнергетическими фотонами.
Возможно, вы слышали слово «энтропия». Она характеризует меру беспорядка системы, например, некоторого объема пара. На пальцах можно объяснить суть этого понятия следующим образом. Тепловая энергия при высокой температуре подобна ресторану, в котором все посетители оживлены и довольно шумно себя ведут. Добавить еще порцию энергии – все равно, как если бы кто-то встал на пороге двери и начал перекрикиваться с одним из гостей. Если остальные посетители тоже громко разговаривают, этот дополнительный крик пройдет почти незамеченным, он не сильно увеличит уже существующий уровень шума. Но прибавка энергии при низкой температуре равносильна крику в тишине читального зала библиотеки. Представляете себе эффект от крика, если кто-то встанет на пороге читального зала и будет кричать? То же самое количество энергии (такой же громкости крик) произведет фурор и неимоверно усилит беспокойство и беспорядок, которые при этом неизбежно возникнут в библиотеке.
Каждый раз, когда тепловая энергия совершает работу в паровой машине (или в одном из бесчисленных процессов, происходящих на Земле), температура рабочего тела понижается, а степень беспорядка, то есть энтропия, увеличивается. Рабочее тело с большей энтропией обладает меньшей способностью совершать полезную работу. Это оборотная сторона эксергии (система, энергия которой характеризуется высокой энтропией, имеет низкую эксергию, и наоборот).
По сути, вся энергия, получаемая Землей от Солнца, излучается обратно в космос.
Итак, вернемся к важному различию между просто солнечной энергией и полезной солнечной энергией: энергия Солнца в чистом виде на Земле использована быть не может, но эта энергия помогает системе совершить определенную работу, подобно тому, как рабочее тело, наделенное энергией, совершает работу в паровой машине. И каждый раз после совершения определенной работы способность системы производить дальнейшую работу сокращается. Фактически солнечная энергия «работает» до истощения, пока полностью не списывается со счетов и не отбрасывается назад в космическое пространство.