Роль масштаба в экономике и прочей природе[39]
Георгий Михайлович Гречко до полётов в космос был конструктором космической техники. В ту пору Сергей Павлович Королёв, чтобы поощрить самостоятельность молодых инженеров, приглашал их на совещания по вопросам, выходящим далеко за пределы их знаний, опыта и ответственности.
Однажды на совещании Королёв спросил Гречко: какое топливо лучше — водород или керосин? Гречко тогда занимался баллистикой — и для него ответ был далеко не очевиден. Я же, прочитав его интервью, сразу вспомнил элементарные сведения, полученные на теплофизическом факультете. Входят они и в школьный курс — просто в детстве не каждый обращает на них внимание.
При окислении водорода выделяется почти вчетверо больше энергии (в расчёте на единицу массы), чем при окислении углерода. В керосине водород — примерно 1/6 общей массы: остальное — углерод. Соответственно теплотворная способность керосина в три с лишним раза меньше, чем водорода.
Но водород кипит при температуре 21 кельвин —252.77 °C. Чтобы он не выкипел до старта, нужна мощная теплоизоляция и система охлаждения. Масса этой конструкции съедает ощутимую часть выигрыша в массе топлива.
У геометрически подобных тел площадь поверхности пропорциональна второй степени линейных размеров, а объём — третьей. По мере роста размера при данной форме на единицу объёма приходится всё меньшая поверхность.
Чем больше ракета, тем меньше тепла притекает через её поверхность к каждому килограмму топлива, тем легче бороться с этим притоком — и тем выгоднее использовать водород.
Ракета Р-7 (чья модификация до сих пор летает под названием «Союз») работает на керосине. Более мощный «Протон» использует ещё более высококипящее топливо — несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил). Казалось бы, это противоречит приведенному правилу. Но «Протон» создан в рамках одного из ответвлений советской лунной программы. Там понадобились двигатели, надёжно запускающиеся в космосе. Конструкторы выбрали НДМГ, поскольку при взаимодействии с азотной кислотой он загорается без специального поджига. Азотная кислота — высококипящий окислитель, так что заодно упростилась задача сравнительно долгого хранения в космосе: лунный корабль заправляется на Земле, а стартует через несколько дней с Луны. Создав же подходящий двигатель, решили его использовать во всех ступенях ракеты.
Лунная же ракета Н-1, разработанная Королёвым, летала на водороде. Она достаточно велика, чтобы борьба с теплопритоком не была слишком сложна.
Водород горит и в двигателях ракет Сатурн-5, обеспечивших американскую лунную программу. Гигант, выводящий на околоземную орбиту полтораста тонн полезной нагрузки (к Луне удобнее стартовать с орбиты, уточнив на нескольких витках время и направление пуска), легко теплоизолировать.
Похоже, вопрос Королёва — отголосок споров с главным конструктором мощных ракетных двигателей Валентином Петровичем Глушко (за двигатели менее мощные — например, в системах торможения — отвечал Алексей Михайлович Исаев). Большинство двигателей, созданных Глушко, жгут керосин (для Н-1 двигатели разработал Николай Дмитриевич Кузнецов, более известный турбовинтовыми моторами — на них летают Ту-95 и Ан-22). Но для ракеты «Энергия», выводящей на околоземную орбиту порядка сотни тонн (точная масса зависит от числа возвращаемых боковых блоков первой ступени), даже Глушко обратился к водородному топливу (хотя возвращаемые боковушки жгут керосин — их диаметр в несколько раз меньше, чем главного блока).
Гречко мог всё это сообразить, даже не вспоминая школьный курс физики. В школьном же курсе биологии есть правило Бергмана: животные одного вида крупнее на севере, чем на юге. Причина всё та же: чем крупнее животное, тем меньше теплопотери в расчёте на единицу массы, а потому легче поддерживать на холоде постоянную температуру тела.
Правда, с ростом размера не только упрощается теплозащита животного. Масса также пропорциональна третьей степени размера, а поперечное сечение конечностей — второй. Чем крупнее тело, тем больше нагрузка на конечности. Поэтому природе приходится менять пропорции. Например, у полярной лисы — песца — ноги заметно толще, чем у пустынной лисы — фенека, у белого медведя — толще, чем у бурого. А тонкие лапки крошечного дамана несравненно изящнее тумбообразных подставок под телом его родственника — слона.
Сходным образом меняются и пропорции сходных конструкций. Сравните хотя бы шасси двух турбовинтовых самолётов, разработанных в одну эпоху: сравнительно лёгкого Ан-24 и крупнейшего в мире в момент создания Ан-22. Ан-24 опирается на две высокие стойки. Ан-22 — на десяток стоек заметно покороче — хотя колёса на них немногим ниже стоек Ан-22.
Эффекты масштаба зачастую имеют и денежное выражение. Так, хранение каждого бита на модных сейчас флэш-картах тем дороже, чем меньше ёмкость карты. И не только потому, что с совершенствованием технологии всё больше элементов располагается на одном кристалле и производится одним набором операций — то же самое и при одной технологии, с одними и теми же кристаллами хранения данных. Ведь обвязка — электроника и контакты, необходимые для сопряжения внутренностей карты с внешними устройствами — почти одна и та же при любом объёме. В более ёмких картах цена корпуса и обвязки раскладывается на большее число битов — и каждый обходится дешевле.
По сходной причине укрупнение предприятия бывает выгодно: оплата управленческой верхушки раскладывается на больший объём продукции. Увы, рост сверх какого-то предела вынуждает добавлять новые уровни управления — и доля управленческих расходов в себестоимости вновь возрастает. Правда, развитие информационных технологий позволило нарастить среднее число подчинённых у одного начальника и тем самым понизить высоту управленческой пирамиды, так что сейчас бывают рентабельны предприятия большего размера, чем век назад. Но всё же увлекаться укрупнением рискованно: мало ли какие побочные эффекты вылезут при росте масштаба!
Один из этих эффектов подробно исследовали в 1970-х великие математики — академики Виктор Михайлович Глушков и Леонид Витальевич Канторович (я в 1996-м в статье http://awas.ws/OIKONOM/COMMСОМР.НТМ «Коммунизм и компьютер» перевёл некоторые их результаты с математического языка на человеческий). Они установили, сколь быстро растёт число арифметических действий, необходимое для решения задач балансировки — и тем более оптимимизации — производственного плана, с ростом числа названий изделий и деталей в плане. Оказалось, что век-другой назад можно было эффективно управлять предприятием с номенклатурой в несколько сот изделий (и сотнями деталей в каждом), современная академикам, вычислительная техника обеспечила управляемость при многотысячной номенклатуре, а экономикой современного государства (где названия изделий исчисляются десятками миллионов) невозможно будет распоряжаться из единого центра, даже если этот центр сможет использовать компьютеры размером в целую планету.[40] Знали бы это при Марксе — вряд ли он требовал бы обобществления ради централизации.
Чтобы цена не задиралась до несуразицы, расходы на разработку желательно разложить по большему числу готовых изделий. Существует минимальный размер рынка, при котором новинка окупится и выдержит конкуренцию. Зависит он в основном не от вида конкретной технологии, а от общего уровня развития. Сейчас в Западной Европе надо проектировать в расчёте на рынок с общей численностью населения не менее 400 млн человек. У нас — при относительно низкой оплате разработчиков — хватит и 200 млн. Но каждая из республик былого Союза меньше. Без создания Единого экономического пространства — в составе хотя бы Белоруссии, Казахстана, России, Украины — наши разработчики в скором будущем разорятся и исчезнут, а вслед за ними производителей задавят новинки из других регионов: ведь и Европейский Союз, и Североамериканская Зона свободной торговли достаточно велики, чтобы их разработки окупались уже на внутреннем рынке, а экспорт оказывается чистой сверхприбылью. Знали бы наши политики перестроечных времён об эффектах масштаба в экономике — не стряслось бы парада суверенитетов 1991-го.
Парниковый эффект на Земле невозможен[41]
Вначале января 2007-го СМИ сообщили: астрономы обнаружили потепление Марса. Опасность парниковых газов опровергнута не только физической теорией, но и прямым наблюдением.
Рамочная конвенция ООН об изменении климата принята 1992.05.09. Дата символичная: день победы над преступнейшей диктатурой омрачили победой над наукой и здравым смыслом. Кётский (старую столицу Японии мы обычно зовём Киото по аналогии с новой столицей Токё, где нам трудно отчётливо произносить безударное Ё) протокол от 1997.12.11 к конвенции — и вовсе шедевр корыстной лжи.
Рамочная конвенция ООН об изменении климата принята 1992.05.09. Дата символичная: день победы над преступнейшей диктатурой омрачили победой над наукой и здравым смыслом. Кётский (старую столицу Японии мы обычно зовём Киото по аналогии с новой столицей Токё, где нам трудно отчётливо произносить безударное Ё) протокол от 1997.12.11 к конвенции — и вовсе шедевр корыстной лжи.
Протокол, открытый для подписания с 1998.03.16 до 1999.03.15, мог вступить в силу только после ратификации странами, ответственными более чем за 55 % выброса парниковых газов. Он заработал 2005.02.16 — через положенные 90 дней после передачи его хранителям 2004.11.18 российской ратификационной грамоты.
Федеральный закон № 128-ФЗ принят Государственной Думой 2004.10.22, одобрен Советом Федерации 2004.10.27, подписан президентом 2004.11.04. Это — результат жестокого торга: Европейский Союз, где концентрация экологического фанатизма наивысшая, выкрутил нам руки угрозой не пустить во Всемирную торговую организацию и давить торговыми санкциями.
В основе протокола — эффектная теория. Некоторые газы — в частности, углекислота и метан — изрядно поглощают инфракрасные — тепловые — лучи. По мнению сочинителей, чем больше этих газов в атмосфере, тем сильнее греется планета — как парник, накрытый стеклом, прозрачным для обычных лучей, но не для инфракрасных. Защита от глобального потепления — сокращение концентрации парниковых газов.
Квоты на выброс и система торговли ими в протоколе расписаны прежде всего для углекислоты. Хотя метан поглощает инфракрасное излучение несравненно эффективнее. При всей скромности его концентрации в атмосфере он вносит в гипотетический эффект куда больший вклад.
Эта странность — улика. Самое дешёвое топливо для тепловых электростанций — уголь. Да и разведанные запасы его на порядки больше, чем нефти и газа. В погоне за своей долей рынка нефтегазодобытчики уцепились за тот факт, что на единицу теплотворной способности уголь даёт больше углекислоты, чем водородосодержащие топлива. Заказали абсурдную теорию — и рыком наёмных истериков под эколозунгами добились её признания.
Передел рынка ТЭС мог бы и не начаться, если бы не волна гонений на ядерную энергетику. В глобальном политическом противостоянии 1980-х годов ущерб (включая число жертв) от взрыва реактора на Чернобыльской АЭС был преувеличен во многие тысячи раз. Хотя даже с учётом его — и испытательных взрывов бомб — ядерные технологии за всю свою историю выбросили в воздух куда меньше радиоактивности, чем даёт зола угольных ТЭС ежегодно.
Между тем в пересчёте на предполагаемую парниковость выброс метана при его добыче — а главное, попутно с добычей нефти — вполне сопоставим с углекислотой угольных ТЭС. А уж метан из коровьих желудков (где его выделяют бактерии, разлагающие целлюлозу травы до соединений, усваиваемых животным) кроет всю мировую энергетику, включая автомобильные моторы.
Парниковый эффект пытались точно измерить исследованием глубинных слоёв антарктического льда. Вмороженные в него пузырьки воздуха сохраняют древний состав. Концентрацию углекислоты можно измерить непосредственно, а соотношение изотопов кислорода указывает на температуру. Образцы, охватывающие полмиллиона лет, показали: концентрация углекислоты начинает расти через несколько лет после потепления и спадает через несколько лет после похолодания. Изменения состава атмосферы — включая нынешние — не причина, а следствие потепления.
Но ещё веселее то, что невозможность парникового эффекта на Земле доказал великий американский физик Робёрт Вуд ещё в 1908-м. Он сделал два идентичных парника, один накрыл стеклом, другой — каменной солью, пропускающей инфракрасные лучи. Температура в парниках оставалась строго одинакова. Но стоило раскрыть любой из них — он тут же резко остывал.
Земля слишком холодна, чтобы поток излучения, пропорциональный четвёртой степени абсолютной температуры, был заметен. Тепло от неё уносит воздух, от нагрева расширившийся и потому лёгкий. Покрытие парника — хоть стеклянное, хоть плёночное, хоть соляное — останавливает конвекционный поток воздуха, и тепло остаётся в парнике.
Примером пагубности парникового эффекта считают Венеру. Мол, она окутана облаками — и тепло не может излучиться. Но тамошняя атмосфера — в основном из углекислоты и водяного пара. При одинаковых условиях углекислота плотнее в 2,45 раза. Тяготение Венеры сепарирует атмосферу — обогащает углекислотой нижние слои, а наверху остаётся почти чистая вода. Даже раскалившись у поверхности до 250 °C, углекислота остаётся тяжелее воды и не может подняться ввысь, чтобы отдать тепло космосу.
Почти 78 % земной атмосферы составляет азот. Второй компонент — кислород (около 21 %) — лишь немногим тяжелей его. Земной гравитации не хватает, чтобы создать заметную разность составов по высоте атмосферы. Конвекция развивается беспрепятственно. От парниковости Землю спасает именно азот, чьи запасы слишком велики, чтобы человек мог их заметно сократить.
Марс, чья атмосфера тоже не поддаётся сепарации, также не наделён парниковым эффектом. Если он греется — значит, просто Солнце нынче активное.
По темпам нагрева Марса и прямым наблюдениям Солнца вычислено: нынешнее глобальное потепление продлится ещё лет десять. Затем пойдёт похолодание — с минимумом между 2050-м и 2060-м годом. Независимо от концентрации газов, ложно названных парниковыми.
Марс нанёс решающий удар по теории, сочинённой на нефтедоллары. Давно пора денонсировать кётский протокол.
Облако в мозгах[42]
Каждый прекрасно знает, как руководить футбольной сборной, воспитывать детей, лечить десятки расхожих болезней, расставлять мебель… В последние годы к списку общеизвестностей добавилась причина глобального потепления.
Недавно мне прислали электронное письмо сразу четверо кандидатов физико-математических наук. На сайте http://web.vrn.ru/clouds они обнародовали новую теорию. По их мнению, инфракрасное излучение, исходящее от поверхности Земли, задерживают… облака. Число же облаков стремительно растёт по мере увеличения авиационного сообщения. Ибо выхлоп реактивных двигателей на больших высотах — где воздух практически свободен от пылинок — создаёт центры конденсации и кристаллизации воды, тем самым способствуя формированию облаков даже в тех местах, где они естественным путём почти не образуются. Отсюда и рост температуры.
Должен признать: статистику роста числа и суммарной площади облаков разных видов, приведенную авторами, я вряд ли смог бы опровергнуть — для этого мне пришлось бы несколько лет перелопачивать материалы, изученные четырьмя кандидатами. Да вряд ли это и требуется: из общих соображений достаточно очевидно, что любые несгоревшие частички или даже просто изменения состава воздуха могут способствовать конденсации влаги в нём.
Различия естественных и самолётных облаков, описанные на сайте, тоже выглядят правдоподобно. Даже с поправкой на то, что современное небо авторы изучали по фотографиям, а облака доавиационной эпохи — по живописи, изобилующей естественными авторскими вольностями.
Готов я поверить и в то, что облака задерживают инфракрасное излучение. Вода это успешно делает в парообразном виде — отчего бы ей и в иных агрегатных состояниях не заниматься тем же: ведь за поглощение в этом диапазоне отвечают отдельные молекулы, а не кристаллы в целом.
Но позвольте! Облака — не односторонние зеркала, столь модные в детективах! Если они задерживают инфракрасный поток от Земли — то и поток от Солнца подвергается такому же обращению.
Более того, солнечное излучение содержит не только инфракрасную составляющую. Основная часть его энергии лежит в видимом диапазоне. Так что каждый может невооружённым глазом убедиться: энергопоток от Солнца в присутствии облаков явно уменьшается.
Впрочем, если бы облака просто поглощали свет, это не изменило бы суммарный нагрев Земли. Просто грелись бы те слои атмосферы, где облака плавают. Конечно, основная часть тепла сразу уходила бы в холодные просторы космоса. Но кое-что всё же доставалось бы и той части воздуха, которую мы можем ощущать непосредственно.
К несчастью для четверых кандидатов, облака отражают куда больше света, чем поглощают. Каждая граница раздела веществ — естественный отражатель. Когда их много, отражается едва ли не весь свет. По этой причине мука и толчёное стекло — белые, хотя цельное зерно желтоватое, а цельное стекло прозрачное. При взгляде с самолёта облака под ним всегда белые. Не зря англичане говорят: у каждого облака — серебряная подкладка.
Между тем практически всё тепло, исходящее от Земли, — результат поглощения ею солнечного света. Правда, есть и подземное тепло — результат медленного распада радиоактивных элементов, оставшихся от времён формирования планеты. Но его поток столь скромен по сравнению с мощностью солнечного облучения, что даже крутейшие фантазёры не пытаются приписывать глобальное потепление росту вулканической активности. А уж тепло, вырабатываемое человеческой техникой — сгоранием ископаемых топлив, атомными электростанциями, — и подавно меньше тысячной доли подаренного Солнцем.