3.2. Эксплуатация природы в целях производства - Реинжиниринг окружающей среды - Сусуму Сато, Хиромицу Кумамото

     3.2.1. Цель, орудия и рабочая сила

     Существует три элемента производства:

     1) цель труда;

     2) орудия труда;

     3) рабочая сила.

     На первой стадии  производства объектом  труда является непосредственно

сама природа. Используются орудия труда -  различные механизмы и устройства,

которые  упрощают  работу, и рабочая  сила  - люди  различных  способностей,

которые производят изделия и извлекают энергию из природы.

     _Экономические теории пренебрегли ценностями или богатствами в природе.

Согласно трудовой  теории  стоимость в классической экономике, экономическая

ценность изделия оценивалась средним  количеством труда, затраченного на его

изготовление.  Эта теория полагала, что ценность происходила главным образом

от  времени,  которое  средний рабочий тратил в  производственном  процессе.

Теория  пренебрегала  тем,  что  приррода  сама  была  первичным  источником

богатства. Ценность изделия часто была выше, чем  заработная плата рабочего,

потому  что  природный   ресурс   имеет  ценность.  Это  породило  концепцию

избыточной ценности. Эксплуатация природы стала предметом спора,  когда было

осознано, что ресурсы конечны и им должна быть назначена ценность.

     3.2.2. Эксплуатация природы

     Процесс производства воздействует  на природу,  обрабатывает  природные

ресурсы  и порождает  изделия,  полезные  для  людей. Следует отметить,  что

процесс  производства  - также  процесс потребления. Во  время  производства

природные  материалы   в  конечном  счете  преобразуются   в   изделия.  Это

преобразование   требует  некоторого  количества  энергии,   извлеченной  из

природы.

     _извлечение  материалов  и энергии из  природы  - первый этап  процесса

производства.

     _Извлечение -  это  процесс эксплуатации природы.  Слово "эксплуатация"

означает  "получение  прибыли  из  природы"  и  подразумевает  "выдавливание

богатства из природы".

     _Извлечение  из  природы  -  это  первичная  эксплуатация  или  процесс

потребления природных  ресурсов типа  ископаемого топлива  и  железной руды,

которые  были  накоплены  на Земле в невообразимо  длинном периоде  времени.

Таким образом, первый этап производства - это процесс потребления богатства,

накопленного в природе.

     _Высокотехнологичные  отрасли  промышленности также потребляют  большое

количество  пресной  воды.  Экономические  теории  пренебрегли  потреблением

материалов и энергии в узких границах своих производственных теорий. Если бы

процесс эксплуатации природы был расценен  как  процесс  потребления в более

широких пределах,  проблемы окружающей  среды, тревожащие человечество, были

бы менее серьезны.

     _Процесс производства сначала извлекает материал и энергию из  природы.

Второй этап  производства  - потребление  энергии  для  обработки материала.

Использование изделий на конечной стадии жизни изделия - также  деятельность

потребления.  Изделия  выбрасываются  из-за  того,  что  они  сломались  без

возможности   ремонта,   или  стали  устаревшими,  или   не  в   моде.   Эти

индустриальные  отходы  от процесса  производства серьезно загрязняют землю.

Процесс  производства  расплачивается  изделиями,  которые  были выброшены в

окружающую  среду   и  стали   причиной  многих  печально  известных  фактов

загрязнения.  Это  ограниченность  экономики,  если  она   не  рассматривает

ухудшение окружающей среды как фактор стоимости.

     3.2.3. Энтропия и энергетический баланс

     3.2.3.1. Термодинамика процесса производства

     Самая  обычная  используемая  мера  термодинамической  эффективности  -

энтропия. Общий процесс производства показан на рис.3.1.  Символы определены

в табл.3.1.

     _Ресурсы для  производства  имеют  внутреннюю  энергию  U,  объем  V  и

энтропию  S.  Изделия и  отходы  производственной  системы  имеют внутреннюю

энергию (U  - "U), объем V + "V и энтропию S + "S = S+ "Sизделие + "Sотходы.

Количество (P out "V) обозначает работу при увеличении объема ресурса.

     3.2.3.2. Баланс энтропии

     Энтропия высвобождается из системы производства двумя путями:

     1) с изделиями и отходами ("Sизделие + "Sотходы);

     2) с теплом "S тепло.

     _Обозначим  out полную энтропию, выделенную  в  процессе производства.

Тогда:

      out = S + "Sизделие + "Sотходы + "S тепло . (3.1.)

     Энтропия "S тепло, выделенная с теплом, рассчитывается как

     "S тепло = q / T env (3.2.)

     Тепловая  энтропия  выделяется  заводом  в окружающую среду,  например,

через морскую воду, используемую  как хладагент. Большинство заводов требует

специальных типов  охлаждающих сооружений, чтобы выпустить  энтропию высокой

температуры "S тепло.

     _Приток энтропии  in к производственной системе равен

      in = S. (3.3.)

     Баланс энтропии

      =  out -  in (3.4.)

     Таким  образом,  энтропия  S, сгенерированная в процессе  производства,

задается формулой:

      = "Sизделие + "Sотходы + q / T env (3.5.)

     Эта  энтропия является  суммой энтропий, вносимых изделиями, отходами и

тепловой энтропией q / T env . С другой стороны, баланс энергии дает

     U = W + Penv"V + q + U - "U (3.6.)

     или

     "U = W + Penv "V+ q. (3.7.)

     Исключение q из уравнений (3.5.) и (3.7.) дает энергию W, доступную для

производственной системы:

     W = "U + T env "S - Penv"V -  T env . (3.8.)

     Определим символом "Г максимальное количество  энергии,  доступной  для

производственного процесса, если энтропия не выделялась (  = 0).

     "Г = "U + T env "S - Penv"V, W = "Г -  T env . (3.9.)

     Эта  энергия  "Г  может  называться  эксергией.   Если   объем  ресурса

увеличивается значительно  (то есть  "U велико) или если большое  количество

энтропии  произведено в процессе производства, то энергия W,  доступная для

производственной системы, мала.

     _Заинтересованный  читатель  может  обратиться  к  любому  стандартному

учебнику  термодинамики  и, в особенности, к книге Кеннета Денбига  (Kenneth

Denbigh) для  всесторонней  проработки философских  и  математических  основ

термодинамики глобальных систем [10].

     3.2.3.3. Выход энтропии в окружающую среду

     Если  энтропия  выпускается  в  окружающую  среду  через морскую  воду,

используемую  как  хладагент,   происходит   загрязнение   моря.   Энтропия,

выпущенная  с  изделиями  и  отходами,  накапливаются  в  окружающей  среде,

заводских  свалках  и  отстойных   прудах.  Отслужив  срок,  изделия   также

становятся отходами.

     _Если бы  Земля  была закрытой  системой,  то  энтропия,  произведенная

индустриальными  процессами, постоянно бы накапливалась, и  Земля в конечном

счете  умерла бы в  результате  повышения температуры. К счастью, Земля - не

закрытая, а  открытая устойчивая  система.  Другими  словами,  выбрасываемая

энтропия тепла

     "S out = q / T out (3.10.)

     выходит в космос через атмосферу.

     3.2.3.4. Выход энтропии через атмосферу

     Предположим, что земная поверхность получает от Солнца количество тепла

Q

     Q = 77 ккал / кв.см х год. (3.11.)

     Примем среднюю температуру поверхности Земли за T1

     T1 = 288° K = 15 °C (3.12.)

     Тогда приток энтропии к земной поверхности S1 рассчитывается как

     S1 = Q / T1 = 77 / 288 = 0,267 ккал / (кв.см х год х градус). (3.13.)

     _Высокая температура от Солнца подогревает воду  и воздух  и выпаривает

воду.  Пар  достигает атмосферы,  адиабатически расширяется,  охлаждается  и

уплотняется.  В течение  процесса охлаждения высокая  температура выходит  в

открытый космос  через инфракрасную  радиацию. Предположим, что эта тепловая

радиация проходит при температуре T2 = 250° K = -23 °C.

     _Тогда энтропия S2, выпущенная в открытый космос, рассчитывается как

     S2 = Q / T2 = 77 / 250 = 0,308 ккал / (кв.см х год х градус). (3.14.)

     Таким  образом,  чистое  количество  энтропии,  выпущенной  в   космос,

равняется

     S2 - S1 = 0,308 - 0,267 = 0,04 ккал / (кв.см х год х градус). (3.15.)

     Отток энтропии подвержен изменениям из-за смены сезонов, лет, положения

Земли и Солнца и солнечной активности. Но эти изменения относительно малы, и

Земля может рассматриваться как открытая устойчивая система.

     Вода  -   главный  носитель  избыточной   энтропии.  Некоторые   ученые

утверждают,  что прямая радиация из атмосферы  и конвекция в атмосфере также

уносят энтропию в космос. Земля имеет механизмы выпуска энтропии в космос. В

этом отношении Земля подобна живому организму.

     3.2.3.5. Накопление энтропии на Земле

     Выпуск энтропии S2  - S1 предохраняет  Землю от смерти из-за накопления

энтропии. Однако этот механизм  выпуска не работает с энтропией, накопленной

в отходах производства.

     _Индустриальные  отходы обычно обрабатываются установками для  сжигания

отходов и  преобразуются в тепло и пепел.  Органические составы  хлора  типа

хлорвинила  трудно  обрабатывать. Потому  что их  сгорание порождает высокую

температуру и соединения хлора, которые  повреждают установки  для  сжигания

отходов.  Эти  ненужные  отходы часто  закапывают в ямах  у подножия  горных

хребтов  или  предгорных  областей.  Ядовитые  материалы  и тяжелые  металлы

просачиваются из ям и текут на фермерские поля, расположенные рядом.

     _Хотя  количество  энтропии  S2  -  S1  постоянно  выпускается в космос

согласно  уравнению  (3.15.),  но  первый  выпуск энтропии  от  производства

происходит через морскую  воду или дымовые трубы. Таким  образом, если такие

типы  выпуска энтропии сконцентрированы в  местном масштабе, то они вызывают

много локальных проблем.

     Например,  энтропия производственных  процессов  на единицу  площади  в

Японии уже достигла уровня, сопоставимого с энтропией погоды. Такое  большое

количество выпуска энтропии от процессов  производства может вызвать местные

изменения  климата,  несмотря на  глобально выпускаемую энтропию S2  -  S1 в

космос.

     Сгорание  ископаемого  топлива  производит  вредные  газы  типа  SO2  и

вызывает  рост  температуры Земли. Хотя нефть  - ресурс низкой энтропии, она

производит  некоторое  количество  SO2.  Уголь  производит  гораздо  большее

количество SO2, чем нефть. Парниковый эффект  вследствие  SO2 может  вызвать

рост температуры, порождая непоправимые потери для Земли.

     _Атомные электростанции производят электричество путем ядерных реакций,

которые:

     1) производят большое количество радиоактивных отходов

     2) постоянно выпускают некоторое количество радиации

     3) имеют риск цепных реакций типа чернобыльской катастрофы.

     _В  заключение, Земля  -  это  динамическая открытая  система,  которая

достигает  своего  теплового баланса,  выпуская энтропию  S2 - S1 в  космос.

Однако  в  местном  масштабе  сконцентрированное  скопление  энтропии  может

изменить климатические условия на Земле. Далее, "материальные  энтропии" SO2

синтетических материалов типа  хлорвинила и радиоактивных  материалов трудно

выпустить в космос подобно тепловой энтропии, поэтому они вызывают серьезное

загрязнение Земли.

     3.2.3.6. Энтропия материалов

     Относительно энтропии  материалов  следует  отметить следующие моменты.

Расмотрим,  например, бутылки  пива.  Энтропия (то есть  степень беспорядка)

ненужных  бутылок  не будет увеличиваться, если  они  собраны как бутылку  и

многократно используются. Точно так же,  если  ненужные  материалы собраны в

компактной  форме,  степень  генерации   материальной  энтропии  значительно

уменьшиться.  Однако  ненужная  энтропия  бутылки  увеличивается,  если  она

разбита на части  для переработки в стекло  для бутылок.  Неразбитые бутылки

пива  и из  разбитые  двойники  являются тем же самым стеклянным материалом.

Однако  рассеянные  части  имеют  более  высокую  энтропию  и могут  вызвать

неприятности.

     _Переработка  разбитых  стеклянных  бутылок  в  новые  бутылки остается

предметом   тщательного   анализа  в  терминах  накопления  энтропии.  Может

обнаружиться,  что переработка  -  не лучший способ  действия с земной точки

зрения.  Система  обращения  материалов  должна  быть  установлена  согласно

анализу, основанному на  энтропии всей земной системы, чтобы решить проблемы

загрязнения. Этот предмет будет описан в гл.8. По своей сути, производство -

процесс увеличения энтропии.

     _Другой процесс, который ведет к генерации  энтропии, -  информационные

системы.  Концепция  информационной  энтропии   была   развита   Шенноном  и

одновременно  другими  учеными,  когда  информационная супермагистраль,  100

каналов телевидения в главных  городах, мировые  аналоговые и цифровые сети,

СВ  радио,  голограммы  и  проекты  звездных  войн  были  еще  неизвестны  и

невообразимы.   Эта    энтропия,    связанная   с    нагромождением    часто

непроизводительной информации, также должна быть исследована.

     3.2.4. Философия циркуляции

     3.2.4.1. органическое сельское хозяйство

     В   традиционном  сельском  хозяйстве  люди  использовали  органические

удобрения  и отходы перерабатывались.  Другими словами, концепция отходов  в

строгом смысле не  существовала.  Например, солома  и экскременты  от людей,

коров,  лошадей и  свиней  использовались  как удобрение,  компост  или  как

источник  энергии  газа  метана  через  брожение.  Другими  словами,  каждый

органический   материал   многократно  использовался.  Существовала  система

циркуляции  воды. Древесина для топлива  собиралась в маленьком масштабе без

причинения  каких-либо  вредных  воздействий  на  рост  леса.  Разнообразные

животные  и  сельские хозяйства  формировали  экосистемы, и люди,  как члены

экосистем, поддерживали  системы  циркуляции. Хотя люди  изменяли природу  в

традиционном сельском хозяйстве,  они все еще  взаимодействовали с ней, были

связаны  с  природой  и  бессознательно  защищали  экосистему,  которую  они

воспринимали как сельский пейзаж, ирригационные каналы и рисовые поля, столь

знакомые людям.

     3.2.4.2. Промышленное сельское хозяйство

     Индустриализация   сельского   хозяйства,   которая   последовала    за

традиционным  сельским  хозяйством,   драматично   изменила   вышеупомянутую

ситуацию:

     1) солома сжигалась, вызывая загрязнение воздуха;

     2) экскременты от людей и животных сбрасывались в реки,  что привело  к

загрязнению рек;

     3)  другие органические  материалы тоже  сбрасывали  в реки, увеличивая

биологическую  потребность  в кислороде и уровень  органического загрязнения

воды;

     4) леса сокращались, и  уменьшалась их способность удерживать воду, что

породило эрозию в сельском хозяйстве и деградирование качества воздуха;

     5) широкомасштабное использование  неорганических удобрений и химикатов

сделало почву более жесткой и обедненной, загрязнило воздух и воду.

     3.2.4.3. Индустриальное общество

     Современное  индустриальное  общество  еще  быстрее   урезает   цепочки

циркуляции. Процесс производства стал процессом потребления, в котором:

     1) тепловая и материальная  энтропия  увеличиваются на  Земле, превышая

уровень максимального количества, который может быть выпущен через атмосферу

в космос;

     2) Земля потеряла свое стабильное устойчивое состояние;

     3) экосистемы были жестко урезаны;

     4) устойчивая человеческая жизнь была поставлена под вопрос.

     3.2.4.4. Технология и homo-безумие

     Современная  наука  и  технология  появились вследствие  индустриальной

революции и продолжают развиваться по экспоненте.  Прогрессивные  технологии

могут быть расценены как кристаллизация человеческой мудрости. В то же время

эти технологии заменили производство процессами потребления, экспоненциально

увеличивающими  энтропию на Земле  Это  может быть расценено  как проявление

аспекта  homo-безумия.   Один  из  двух  столпов  современной  технологии  -

homo-безумие.  Обе  противостоящие силы, homo sapiens и  homo-безумие, ветви

одного корня: homo-болтливости.

     _Современная технология, по мнению  философов, в ее существующей  форме

вредна,  потому  что  она  превращает  Землю  в  мертвую  планету.  Истинные

технологии,  важные  для  людей,  должны  включать  в  себя рециркуляционные

системы.  Установление  принципов рециркуляции  для  современной  технологии

является неотложным делом.