Текст книги "Солнечный луч"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 18 страниц)

Рис. 9. Зависимость заболеваемости дифтерией (а) и острыми сердечными заболеваниями (б) от солнечной активности

Пунктирная линия – заболеваемость, сплошная – солнечная активность, вертикальная линия – начало противодифтерийных прививок

Изменение закономерностей круговорота воды и циркуляции воздушных масс вторично вызывает разнообразные сдвиги в биосфере: интенсивность нарастания годичных колец древесины, активность размножения различных сапрофитных микроорганизмов почвы, насекомых (саранчи, клопа-черепашки), грызунов (полевых мышей, ондатр на юге, леммингов на севере), урожайность основных сельскохозяйственных культур обнаруживает более или менее четко выраженную 11-летнюю периодичность. В разных районах земного шара максимумы и минимумы кривой урожайности не совпадают. Массовое размножение грызунов приводит к развитию эпизоотии, а затем и эпидемий чумы, туляремии, безжелтушного лептоспироза, инфекционного гепатита и т. п., которые в эпоху отсутствия эффективных средств борьбы также периодически повторялись. Колебания водного режима рек, обусловленные все теми же глобальными нарушениями циркуляции, служили причиной периодического ухудшения условий водоснабжения, а с ними – и условий распространения водных эпидемий холеры, брюшного тифа, дизентерии. Тот же механизм лежит в основе периодических увеличений численности комаров, москитов, клещей и вспышек переносимых ими заболеваний – малярии, желтой лихорадки, клещевых энцефалитов и т. п.

2. Однако не все проявления реакции биосферы на колебания солнечной активности развиваются за счет периодических сдвигов в системе атмосферной циркуляции и выпадения осадков. Наряду с описанным существует и механизм более прямого, непосредственного влияния солнечных вспышек и генерируемого ими коротковолнового излучения на многие биологические процессы. Так, непосредственно после возникновения вспышки на Солнце статистически достоверно увеличивается число уличных автомобильных катастроф в крупных городах и общее число смертельных исходов, существенно возрастает число нервно-психических заболеваний, точнее, случаев их обострений, частота инфарктов миокарда и гипертонических кризов у сердечно-сосудистых больных.

По статистическим данным, полученным советскими учеными в Свердловске, около 73% случаев инфаркта происходит именно в дни магнитных бурь. Частота инфарктов в эти периоды возрастает вдвое, а число внезапных смертей от разных причин – в 2,6 раза. Причем чем сильнее буря, тем значительнее учащение острых, внезапных заболеваний и смертельных исходов. Магнитные бури сопровождаются также резким кратковременным снижением количества лейкоцитов и протромбинового индекса (показателя свертываемости крови), электрического потенциала кожи человека и т. п. Причем все эти события развиваются даже раньше, чем потоки солнечного вещества достигают земной орбиты. Приходится допускать существование механизма непосредственного воздействия электромагнитных возмущений, возникающих в результате солнечных вспышек, па человека, на его нервную и сосудистую систему, на биосферу в целом. Такие возмущения, распространяющиеся, по-видимому, со скоростью света, могут иметь электрическую, магнитную, электромагнитную природу; это может быть радиоизлучение Солнца, изменение солнечного излучения в оптическом диапазоне, корпускулярное излучение Солнца. Под их влиянием, очевидно, возникают изменения, непериодические вариации электрического и магнитного поля Земли, низко– и высокочастотные поля и т. п. Однако вся многозвенная цепь причинно-следственных связей и отношений, протянувшаяся из недр Солнца к глубинам клеток земной биосферы, еще не прослежена во всех деталях.

Бесспорно лишь, что влияние Солнца на земную жизнь еще значительнее, многообразнее и сложнее, чем можно было бы думать. Горячее дыхание светила подчиняет своему ритму жизнь на поверхности одной из его планет. Какова природа этих волн солнечной активности, волн времени, на которых покачивается хрупкая лодка жизни? Какие таинственные силы приводят в движение солнечный маятник? Поиски ответа на эти вопросы ведутся давно.

На рубеже XX столетия английский ученый Э. Браун предположил, что возникновение пятен – вихрей в солнечном веществе – связано с притяжением планет, вызывающим приливы на Солнце. Браун, в частности, отметил, что 11-летний ритм солнечной активности почти совпадает с периодом обращения Юпитера – самой массивной планеты солнечной системы, равным 11,86 года. В своем первоначальном виде эта гипотеза была недостаточно убедительна: ведь приливообразующая сила Меркурия, гораздо меньшего по размерам, но расположенного значительно ближе к Солнцу, превышает влияние Юпитера в семь раз. Однако колебаний солнечной активности, соизмеримых с периодом обращения Меркурия (около трех месяцев), не обнаружено.

Существенный шаг вперед был сделан после того, как с помощью электронно-вычислительных машин рассчитали положение и движение общего центра тяжести солнечной системы в целом. Благодаря вращению планет вокруг Солнца с различной угловой скоростью этот общий центр тяжести смешивается и не совпадает с центром Солнца. Хотя общая масса планет не достигает и пятисотой доли массы Солнца, но они в силу своего положения на разных расстояниях от центрального светила влияют на положение центра тяжести. Американский астроном П. Джозе вычислил, что Солнце само вращается вокруг этого гравитационного центра с периодом 178,77 земных лет, а это соответствует длительности одного из циклов солнечной активности.

Расчеты американских математиков К. Вуда и Р. Вуда показали, что сложная орбита движения центра тяжести солнечной системы регулярно (при определенном расположении планет вокруг Солнца) претерпевает резкие сдвиги, «скачки», отделенные друг от друга уже знакомым нам интервалом в 11,08 лет! Весьма вероятно (хотя окончательно еще не доказано), что эти «рывки» влияют на движение масс вещества в недрах Солнца, а через них – и на скорость термоядерных реакций. Отсюда – уже один шаг до объяснения причин колебаний солнечной активности, происхождения пятен, вспышек, выбросов солнечного вещества и т. п. Влиянием планет, по данным этих ученых, можно объяснить и смену магнитной полярности пятен, и широту их возникновения на солнечном диске, и существование других солнечных циклов. Следовательно, не только Солнце влияет на разнообразные стороны бытия планет, но имеет место и обратное, по-видимому, также существенное влияние. Близость к нам Солнца, его роль в нашей жизни, его беспокойный характер делают необходимым постоянное внимательное наблюдение за ним. Не только подсчет ударов солнечного пульса, но и проникновение в движущие им механизмы – вот достойная задача для науки нашего времени!

Энергия неиссякаемая и вездесущая

Природные источники энергии – нефть, уголь, газ, торф, а также энергия рек, водопадов, ветров, используемые человеком, являются по существу концентратами солнечных лучей.

Накопленная в течение миллиардов лет энергия Солнца расходуется во все возрастающем количестве. Пройдут сотни, а может быть, только десятки лет, и запасов земных источников энергии окажется недостаточно для удовлетворения нужд человечества. Правда, уже созданы промышленные установки, использующие энергию распада тяжелых атомных ядер; не за горами создание методов управления термоядерными процессами синтеза легких ядер, подобными тем, которые совершаются в недрах Солнца. Познание и использование этих источников помогут разрешить энергетическую проблему на Земле.

Но есть еще один постоянный, неиссякаемый источник энергии – солнечный свет. Ежегодно Земля получает около 6·10 ¹⁷квт-ч лучистой энергии. Это в 20 тыс. раз превышает потребность человечества в энергии на сегодняшний день. На долю каждого жителя Земли в сутки приходится свыше 1 млн. квт-ч энергии солнечного света. Это богатство практически не используется, за исключением ничтожной доли, усваиваемой растениями. Большая часть солнечных лучей, попав на Землю, отражается в мировое пространство, поглощается горными породами, поверхностными слоями морских вод, постройками городов, превращается в тепло.

Люди уже приступили к прямому освоению и использованию солнечной энергии. Из нескольких возможных направлений наиболее простым кажется использование полупроводниковых солнечных батарей, непосредственно преобразующих лучистую энергию Солнца в электрическую. Работают солнечные батареи на принципе фотоэлектрического эффекта, открытого в 1888—1889 гг. русским физиком А. Г. Столетовым: кванты излучения выбивают с поверхности некоторых металлов электроны. Когда такой фотоэлемент включен в цепь, в ней под влиянием света возникает электрический ток. Чем больше энергия квантов света, тем шире круг металлов, пригодных для получения фотоэлектрического эффекта. Основная масса лучистой энергии Солнца (около 97%) сосредоточена в области длин волн 0,3—3 мкм. Превращать эту энергию в движение выбитых электронов способны фотоэлементы из кадмия, кремния, бора и некоторых других металлов высокой чистоты.

Батареи, коэффициент полезного действия которых составляет 13—15%, ныне применяются при полетах автоматических станций к Марсу, Венере, при исследовании поверхности Луны. Использование этих батарей для удовлетворения земных энергетических нужд пока невозможно: слишком уж дороги их основные элементы – металлы-полупроводники. Однако не исключено, что в дальнейшем, по мере увеличения КПД солнечных батарей до 20– 25% и существенного снижения стоимости, станет возможным более широкое их использование. Чтобы этот способ использования энергии Солнца приобрел серьезное промышленное значение, необходимо будет покрывать полупроводниковыми пленками или пластинами большие пространства суши, а для выравнивания суточных колебаний выработки энергии включить в систему аккумуляторы (топливные элементы, способные переводить электроэнергию в химическую и обратно с КПД, близким к 100%). Для таких «полей» фотоэлементов требовались бы специальные защитные пластмассовые кассеты. Кроме того, они нуждались бы в постоянном квалифицированном уходе и надзоре. Это делает солнечную электростанцию такого типа нерентабельной (в ближайшем будущем).

Другой проект предполагает вынести гигантскую батарею солнечных фотоэлементов площадью 9х9 км в космос, на высоту 30 тыс. км над определенной точкой земной поверхности. На такой высоте количество лучей, приходящееся на 1 см ²поверхности, а значит, и выработка электроэнергии вдвое выше, чем на Земле. Такая электростанция не зависит от погодных условий, не нуждается, следовательно, в выравнивании суточных колебаний выработки энергии и в постоянном уходе.

Но особенности проекта создают другие трудности. Постоянный ток, отводимый от батареи, по кабелю передается на искусственный спутник Земли, где специальное устройство трансформирует его в высокочастотное излучение, удобное для транспортировки энергии на Землю без проводов. Там совершается новое ее превращение – в переменный ток удобной для потребителя частоты.

Для улавливания лучистой энергии Солнца и ее преобразования непосредственно в электрическую может быть использован также термоэлектрический метод. Суть этого метода в следующем: две проволоки из различных металлов или сплавов, соединенные обоими концами, образуют термопару; если один из спаев нагреть, то в цепи потечет слабый электрический ток. Чем больше разница температур спаев, тем больше сила тока. Соединив параллельно несколько отдельных термопар, получим батарею термоэлементов. Если зачернить один из спаев батареи и подставить его лучам Солнца, такая система станет вырабатывать электричество непосредственно из солнечных лучей. А если на зачерненный спай будет падать не рассеянное излучение Солнца, а пучок лучей, предварительно сконцентрированный линзой или вогнутым зеркалом – рефлектором, то разница температур спаев может быть доведена до одной-полутора тысяч градусов. Соответственно возрастет и выработка электроэнергии.

Задумываясь об энергетике будущего, о необходимости широкого использования солнечной энергии, ученые серьезно рассматривают и другие возможности, еще вчера относившиеся к области чистой фантастики. Так, академик Н. Н. Семенов полагает возможным осуществить, а затем и использовать в промышленных масштабах химическую систему, способную моделировать процесс фотосинтеза, накапливать солнечную энергию в виде энергии химической связи атомов органических соединений. Основания для такого смелого предположения Н. Н. Семенов видит в открытии ученых М. Е. Вольпина и А. Е. Шилова, осуществивших синтез аммиака и гидразина (фиксацию азота воздуха) при обычных температурах и давлении.

Промышленный способ получения аммиака протекает при высоких температурах и давлениях. В клубеньках же бобовых растений бактерии осуществляют фиксацию азота в природных условиях. Этот процесс осуществляется микробами с помощью ферментных белков. Молекулы ферментов громадны. Но непосредственно осуществляет реакцию небольшая активная группа атомов, содержащая ионы ванадия или молибдена. Вольпин и Шилов показа-сли, что гидроокись ванадия фиксирует азот с КПД, близким к 100%. Четыре атома ванадия, переходя из двухвалентного в трехвалентное состояние, дают достаточно энергии для образования молекулы гидразина, а в несколько иных условиях – аммиака.

Однако задача решена лишь наполовину. Модель биологического процесса усвоения азота должна предусматривать и механизм восстановления ванадия в двухвалентное состояние: реакция будет идти только в этом случае. По аналогии с живым организмом для этой цели следовало бы использовать солнечную энергию. Если работы, ведущиеся в этой области, окажутся плодотворными, можно будет наладить искусственный фотосинтез в промышленных масштабах. На огромных пространствах энергетических полей будут размещены кассеты с водным раствором взаимодействующих веществ и с непрерывным выходом продуктов реакции – богатых энергией соединений азота, углерода, водорода и кислорода. Производительность таких полей может вдвое-вчетверо превысить эффективность работы природных фотосинтезирующих машин-растений. Но и это – только планы, проекты.

А каковы реальные возможности сегодняшнего дня? Они связаны в первую очередь с решением задачи сбора и концентрации солнечной энергии. Честь открытия такого способа принадлежит, очевидно, Архимеду. Древние источники сообщают, что более двух тысяч лет назад, в 212 г. до нашей эры, защищая родной город от нападения римлян, Архимед вывел население Сиракуз на стены города, вооружил их зеркалами и, сконцентрировав все их зайчики в одну точку, сжег римский флот. Так ли это было в действительности – сказать трудно, но идея сама по себе родилась в древности. Эффективность такого способа использования энергии Солнца сильно зависит от расстояния до объекта, приговоренного к сожжению. Чтобы поджечь сухое дерево на расстоянии 30 м, нужно вогнутое зеркало диаметром 3 м. Но если увеличить расстояние до 1 км, диаметр зеркала нужно увеличить до 500 м.

Вряд ли кому-нибудь придет в голову заняться таким делом в наши дни. Но американский физик Дж. Пирс рассчитал, что чаша современного стадиона – весьма удобное место для экспериментов подобного рода и что недовольные болельщики могут попросту сжечь неугодного судью. Нужно только предварительно запастись кусками картона с наклеенной на них фольгой и потом одновременно направить все солнечные зайчики на жертву.

Но если сконцентрировать солнечный зайчик для того, чтобы плавить металлы, получится солнечная печь. Гелиопечи, работающие во Франции, Испании, США, Индии, Алжире и других странах Африки, способны плавить металлы, кварц при 1500—2000° и более. На Пиренеях сооружена гигантская установка с 10-метровым параболическим зеркалом, собранным из 3500 маленьких стеклянных зеркал. В солнечном зайчике огромного зеркала, имеющем диаметр 50 мм, температура достигает 3400°С; это позволяет в течение 1 часа выплавлять 60 кг стали. Конечно, есть более дешевые способы плавки стали, но в солнечной печи получается особая сталь; она совершенно свободна от загрязнений и примесей, неизбежных при других методах плавки. Такой металл годен для самых ответственных специальных изделий.

Еще более крупные гелиопечи позволят в будущем довести температуру до 4700°, а количество выплавляемого металла – до нескольких тонн. Теоретический предел температуры в таких печах – 5700°: невозможно путем концентрации лучей достичь температуры, более высокой, чем температура источника – в данном случае Солнца. Чтобы достичь более высоких температур, нужно использовать искусственный источник излучения – вольтову дугу.

Большие возможности улавливания и использования энергии Солнца есть в нашей стране. В Средней Азии на 1 км ²поверхности падает в полдень поток лучистой энергии, равный по мощности Днепрогэсу. Южные районы страны – республики Средней Азии, Казахстан, Закавказье, Крым – в основном безлесные районы. Если удовлетворить потребность населения этих мест (более 50 млн. человек) только в горячей воде для бытовых нужд за счет энергии Солнца, то удалось бы сэкономить ежегодно более 3 млн. т угля. Но реальна ли эта задача?

Определенный ответ на этот вопрос дают исследования ученых Физико-технического института Академии наук Узбекской ССР, где работает крупный отдел гелиофизики. Разработанные там проекты уже вошли или входят в жизнь. Вот некоторые из них. Крыша-котел позволяет получать воду с температурой 60—70°, а в случае нужды и более высокой (для бытовых нужд, обогрева дома) и даже аккумулировать тепло для использования ночью и в пасмурную погоду. Плоские водонагреватели конструкции узбекских гелиофизиков словно черепицей покрывают крыши дома. Изготовлены они из зачерненного снаружи рифленого металла, покрытого стеклом для получения «парникового эффекта», «горячего ящика». (Поглощая энергию видимого света, Земля, металл и т. п. частично излучают в более длинноволновой инфракрасной области. Стекло, задерживая это излучение, препятствует отдаче поглощенного тепла.) Внутри водонагревателей циркулирует вода. Если прибегнуть к двойному остеклению, удастся поднять температуру воды выше 70° С. Та же система летом может быть использована для охлаждения жилых помещений.

Складная солнечная кухня-зонт пришлась по вкусу чабанам, геологам, изыскателям, строителям газо– и нефтепроводов. Кухня легко превращается в зонт со стулом, а ночью – в палатку, стоит лишь пристегнуть брезент.

Конструкция бытового солнечного холодильника позволяет без затраты электроэнергии поддерживать температуру порядка + 2, +4° С. Зачерненная поверхность генератора нагревается (благодаря двойному остеклению) до 100—110° С, и в нем из поглотителя (хлористого кальция) выделяются пары аммиака. Под давлением в 18—20 атмосфер они поступают в концентратор и в сжиженном виде накапливаются в промежуточном резервуаре – ресивере. Ночью генератор охлаждается, давление паров в нем падает. Аммиак из ресивера испаряется и охлаждает внутренность холодильника, а надежная термоизоляция помогает сохранить низкую температуру и днем.

В солнечной сушилке воздух, прогоняемый между разогретыми Солнцем зачерненными листами металла, нагревается до 60—80° С, а затем поступает в камеру, куда закладываются для сушки фрукты. Сухой горячий воздух отнимает у них влагу и выходит наружу. Трудно представить себе более простую конструкцию. А между тем она обладает очень важными преимуществами. В отличие от сушки на воздухе процесс в солнечной сушилке идет несравненно быстрее, и качество сушеных фруктов оказывается выше. Кроме того солнечный метод позволяет избегнуть загрязнения фруктов коптильным дымом.

На принципе «горячего ящика» работают и простейшие опреснительные установки. Конденсируясь на внутренней поверхности стекла, влага стекает в специальные Резервуары. В южных районах нашей страны с помощью таких установок можно с 1 м ²остекленной поверхности получать 4—5 литров дистиллированной воды в сутки.

Отличный способ улавливания и накапливания солнечной энергии – соляные бассейны. С глубиной в них увеличивается концентрация солей. Одновременно возрастает плотность воды, ее удельный вес (что препятствует перемешиванию слоев) и поглощение солнечных лучей. Поэтому самый глубокий, самый соленый и плотный слой воды оказывается и самым горячим. При глубине солнечного бассейна около 1 м температура придонного слоя может достигать 90—95° С. Накопленную энергию можно извлекать, превращая ее в пар низкого давления или отводя нагретую соленую воду в теплообменник. В последнем случае нижний горячий слой воды во избежание перемешивания следует отделить прозрачной пленкой. Устройство бассейна на берегу моря делает этот способ накопления солнечной энергии чрезвычайно простым и дешевым. Небольшие солнечные бассейны могут круглосуточно обеспечивать жилища горячей водой. Более крупные и глубокие бассейны могут аккумулировать тепло, необходимое в прохладное время года. Использование вместо соленой воды жидкого натрия позволит увеличить аккумуляцию энергии Солнца на 30—35%.

Непосредственное использование энергии Солнца для нужд человека в наше время находится еще в зачаточном состоянии. Однако стремительное развитие энергетики, гелиофизики и полупроводниковой техники дает основание рассчитывать, что эра широкого использования лучистой солнечной энергии не за горами, что человек научится экономно, по-хозяйски использовать это великое богатство – неиссякаемый поток солнечного света.