Нефть - чёрная смерть

Нефть – она же петролеум, буквально «каменное масло», – мы применяем тысячелетиями, как и каменный уголь. Асфальт (битум), проступающий на поверхность, применялся в качестве цемента при строительстве стен Вавилона 4000 лет назад, а как дорожное покрытие – уже около 625 года до н.э. К 350 году н. э. китайцы уже бурили нефтяные скважины и жгли нефть, чтобы выпаривать соль, а в X веке персидские алхимики дистиллировали нефть, чтобы делать керосин для светильников. Но применять нефть в промышленных масштабах мы начали лишь во второй половине XIX века.

 

Сырая нефть – крайне сложная смесь из углеродных соединений разного размера, которую можно сепарировать на фракции при помощи дистилляции. Эти фракции поначалу применялись как смазка для паровых машин и других механизмов, а керосин – для освещения городов. Но по-настоящему потребление нефти начало расти с изобретением современного двигателя внутреннего сгорания – это произошло в Германии в 1876 году. Бензин, полученный из сырой нефти при рафинировании, сначала считали слишком летучим и опасным для применения, но оказалось, что нет лучше топлива для поршней нового двигателя. 

 

Сегодня мы применяем еще и авиационный керосин, чтобы летать над облаками на самолетах. Длинные углеводородные соединения в этом жидком топливе содержат гораздо больше энергии, чем уголь, и поэтому представляют собой поразительно концентрированные портативные хранилища движущей силы для транспорта. Но нефть не только питает наши автомобили: без нее невозможно и проложить гладкие дороги, по которым мы ездим, – вязкий асфальт состоит из самых длинных углеводородных молекул в неочищенной нефти.

 

Нефть так привлекательна, поскольку стоит высоко в рейтинге энергетической рентабельности (Energy Return on Investment index, EROI index), а это значит, что в ее добычу и очистку нужно вложить совсем немного энергии, а дает она очень много, к тому же ее гораздо легче транспортировать, чем каменный уголь: можно просто передавать ее на огромные расстояния по трубопроводам. Именно эта беспроигрышная комбинация высокой плотности энергии, простоты в транспортировке и относительного изобилия и превратила нефть в важнейший источник энергии в современном мире. И не только в качестве топлива. Около 16% производимой ежегодно нефти не сжигается, а применяется как исходное сырье для самой разной органической химии: из нефти делают все что угодно, от растворителей, клеев и пластмасс до фармацевтических препаратов. Немыслимо без нефти и современное интенсивное сельское хозяйство. Из нее синтезируют пестициды и гербициды, контролирующие искусственную сельскохозяйственную среду и повышающие ее урожайность, она служит топливом для тракторов и комбайнов, возделывающих поля; производство химических удобрений тоже невозможно без углеводородной энергии. Нефть питает ваш автомобиль – а еще вы пьете ее за каждой трапезой.

 

Земля производит каменный уголь, нагревая слежавшиеся болотные деревья, а нефть и природный газ образуются из остатков микроскопического морского планктона. Жизнь в океанских водах бурлила гораздо раньше, чем растения успели колонизировать массивы суши, однако нефть, питающая нашу цивилизацию XXI века, сформировалась примерно через 200 миллионов лет после буйных лесов каменноугольного периода. Эта нефть образовалась в исчезнувшем океане Тетис в два этапа – около 155 и около 100 миллионов лет назад, в конце юрского и в середине мелового периода.

 

Пронизанные солнцем поверхностные воды земных океанов сегодня кишат микроскопическими живыми организмами, которые принято называть общим термином «планктон». Основу океанских экосистем составляет обычно фитопланктон – диатомеи, кокколиты и динофлагелляты. Эти одноклеточные фотосинтезирующие организмы растут на солнечной энергии, при помощи которой они улавливают углекислый газ и образуют из него сахара и другие необходимые им органические молекулы, а в качестве побочного продукта, как и растения, выделяют кислород. Амазонские джунгли часто называют легкими планеты, но на самом деле большую часть кислорода, которым мы дышим, производят мириады фитопланктона, дрейфующего в морях. И когда для его роста складываются подходящие условия, в воде накапливаются поразительно плотные популяции этих одноклеточных: молочно-бирюзовые облака кокколитов в воде видны даже из космоса.

 

В царстве планктона достаточно и зоопланктона – микроскопических травоядных и хищников вроде фораминифер и радиолярий. Эти микроорганизмы способны пропускать крошечные щупальца в поры своих изящных раковин, чтобы ловить и пожирать менее удачливый планктон. И фитопланктон, и зоопланктон, в свою очередь, становятся добычей рыб, которых едят более крупные рыбы, а также отфильтровываются из морской воды китами, которые заглатывают их в огромных количествах, – а следовательно, планктон служит основой всей океанской пищевой сети. Если планктон не попадается хищникам и умирает естественной смертью, его перерабатывают гнилостные бактерии, которые перерабатывают углерод и другие питательные элементы и возвращают их в экосистему. Планктонная экосистема, состоящая из производителей, хищников, падальщиков и биоредукторов, не менее сложна, чем Серенгети с ее травой, газелями, гепардами и стервятниками, просто все это разыгрывается в микроминиатюре в сверкающих поверхностных водах земных океанов.

 

Когда планктон умирает, он опускается через толщу воды все глубже и глубже, где все темнее и темнее, а вместе с ним медленно тонут частички минералов, которые принес в океан ветер или смыли реки с континентов. Эти плавное и непрерывное осаждение разлагающегося органического и неорганического мусора называется морским снегом. Даже самые глубокие океанские пучины сегодня получают достаточно кислорода благодаря глобальной циркуляции морской воды, поэтому органика в основном поглощается бактериями, а углерод возвращается в атмосферу.

 

Все это происходит сегодня почти на всей площади океанов. Но чтобы собрать на морском дне органический мусор, которому предстоит превратиться в нефть, нужна высокая производительность планктона в поверхностных слоях воды в сочетании с низким уровнем кислорода у дна: тогда бактерии не смогут вторично перерабатывать углерод и он накопится на дне в составе черного, богатого органическими соединениями ила (как мы уже знаем, аналогичные условия нужны и для формирования угольных пластов). Эта насыщенная углеводом грязь затем оказывается погребена под дальнейшими отложениями, прессуется и отвердевает в черный глинистый сланец. Это и есть исходный материал для неочищенной нефти и природного газа по всей планете. Сланец погружается все глубже и глубже и подогревается внутренним жаром планеты, пока не попадает в так называемую «главную зону нефтеобразования» – окно температур примерно в 50–100 °C. Сложные органические соединения из останков мертвых морских организмов на этом медленном огне расщепляются и превращаются в длинные цепочки углеводородных молекул нефти. Если сланцевые глины подвергаются воздействию более высоких температур, примерно до 250 °C, глубинная химия разрушает и эти длинные цепочки и превращает их в маленькие углеродосодержащие молекулы, в основном метан, но иногда и этан, пропан и бутан, то есть в природный газ. Как правило, главная зона нефтеобразования бывает на глубине от 2 до 6 километров, и сланцевой глине нужно более 10 миллионов лет на то, чтобы оказаться погребенной на такой глубине под непрерывными осаждениями.

 

Колоссальное давление на такой глубине выжимает жидкую нефть из исходной породы, и она просачивается наверх сквозь слой осаждений. Если ей не встретится ничего, что помешает вертикальному перемещению и удержит ее под землей, нефть просто просочится сквозь морское дно. Отличной коллекторской породой для нефти служит песчаник: поры между его частичками впитывают нефть, словно геологическая губка, а если поверх него лежит слой, скажем, тонкозернистой иловато-глинистой породы или непроницаемого известняка, запечатывающий нефтеносный слой, нефть и газ хранятся под ним и только и ждут, когда мы пробурим скважину и добудем их.

 

Как мы уже видели, этот процесс в наших океанах больше не идет. Какие же уникальные условия сложились в древнем океане Тетис 100 миллионов лет назад? Почему на его дне скопилось столько мертвого планктона, превратившегося затем в нефть?
 

К меловому периоду огромный сверхконтинент Пангея распался на фрагменты, и континенты снова начали расходиться. Обширного массива суши на экваторе больше не существовало. Вместо него вдоль середины мира протянулся океан Тетис, и полоса воды разделила северные и южные континенты. А следовательно, рисунок океанских течений тогда был совсем иным: поток воды мог беспрепятственно обойти вокруг света. Это экваториальное течение нежилось на тропическом солнце и стало очень теплым.

 

Впрочем, в разгар мелового периода вся планета была жаркой теплицей – на экваторе поверхностные воды достигали температуры 25–30 °C и даже на полюсах были не очень холодными – не ниже 10–15 °C. Никаких ледяных шапок там не было, и в Канаде и даже Антарктиде росли густые леса. Уровень океана также был гораздо выше сегодняшнего, поскольку не было полярных ледников, удерживавших воду. Кроме того, в земной коре шли активные процессы образования рифтов – при расхождении континентов образовались Северо-Атлантический и Южно-Атлантический рифты. Поскольку новая океанская кора формируется в этих спрединговых центрах, она еще разогретая и легкая и поднимается, образуя протяженные хребты подводных гор. Эти громадные океанские кряжи вытесняли много воды, отчего уровень Мирового океана поднимался еще выше. Сочетание жаркого климата и активного образования рифтов на морском дне означало, что в меловый период уровень моря был рекордно высоким за последние миллиарды лет истории нашей планеты – вероятно, на 300 метров выше, чем сейчас.

 

Следовательно, обширные площади континентов оказались под водой – Европа была затоплена почти полностью, Западное внутреннее море разлилось по всей середине Северной Америки от Мексиканского залива до самой Арктики, а Транссахарское море занимало Африку от океана Тетис до современных Ливии, Чада, Нигера и Нигерии. Бурная вулканическая активность, всегда связанная с повсеместным образованием рифтов, также выбрасывала в море много питательных веществ, удобрявших стаи планктона. Так что планета в конце мелового периода была покрыта не только глубокими океанами, но и мелкими морями по их краям, чьи теплые воды создавали идеальные условия для роста планктона.

 

 

 

Однако условия на дне этих меловых морей тоже сильно отличались от нынешних. На планете-теплице, лишенной полярных шапок льда, при таянии которого образуется холодная плотная вода, не работала термогалинная циркуляция океанских вод: не было глобального конвейера, двигавшего воды по океанским глубинам. А главное – в теплой воде значительно меньше растворенного кислорода, а тот, который туда все-таки попадает, быстро расходуется гнилостными бактериями.

 

В результате всего этого морское дно в меловый период превратилось в бескислородную мертвую зону, где бактерии не могли как следует разлагать органическую материю. Одновременно бешеный рост планктона в теплых, пронизанных солнцем поверхностных водах привел к тому, что морской снег обернулся настоящим бураном, обрушившимся на морское дно. Поскольку этот органический материал не разлагался, он оставался на дне и покрывался слоем все новых и новых осаждений. На морском дне мелового периода, как и в лесах каменноугольного периода, которые росли в затопляемых бассейнах, сломалась система переработки углерода, отчего органическое вещество накапливалось десятками миллионов лет. В результате бескислородное морское дно покрылось толстым слоем вязкого, богатого органическими соединениями ила, превратившегося в обширные залежи черного глинистого сланца. Поэтому период накопления этих огромных площадей сланца на дне моря Тетис стали называть «Черная смерть».

 

Наша планета знала и более ранние, и более поздние эпизоды образования сырой нефти и природного газа, однако насыщенные органикой черные сланцевые глины, отложившиеся на континентальных шельфах океана Тетис в конце юрского и середине мелового периода, оказались самыми производительными. Сложившееся в те времена сочетание геологических процессов создало и месторождения в Персидском заливе, самые богатые месторождения нефти и газа в наши дни, и значительные запасы природного топлива на западе Сибири, в Мексиканском заливе, в Северном море и в Венесуэле.

 

 

Каменный уголь стал топливом для Промышленной революции, а нефть позволила нам выстроить современную технологическую цивилизацию, однако эксплуатация этих ископаемых видов топлива оказалась чревата глобальными проблемами, которые сейчас проявляются в полную силу. С начала XVII века мы не покладая рук выкапываем погребенный под землей древний углерод, который Земля медленно копила десятками миллионов лет, и довольно много успели сжечь всего за несколько столетий. И хотя по поводу «пика нефти» и уменьшения ресурсов сырой нефти высказываются опасения, запасов каменного угля под землей еще вдоволь – его, безусловно, хватит еще на несколько сотен лет при нынешних темпах потребления. Так что в этом смысле мы не то чтобы на пороге очередного энергетического кризиса – скорее нас ждет кризис климатический, результат того, какой способ мы выбрали в прошлом для удовлетворения своего энергетического голода.

 

Углекислый газ, высвобождаемый при сжигании ископаемого топлива, быстро накапливается в атмосфере, и его уже сейчас на 45% больше, чем до Промышленной революции. Более того, нынешний темп выбросов парниковых газов человеческой цивилизацией – рекордный в геологической истории последних 66 миллионов лет. Сравнить с ним можно, пожалуй, лишь палеоцен-эоценовый термический максимум: тогда глобальная температура быстро повысилась и на планете было на 5–8 °C жарче, чем сегодня. И сейчас мы прилагаем все усилия – вольно или невольно, – чтобы повторить тогдашний климатический рекорд.

 

 

 

 

Присутствие парниковых газов в атмосфере само по себе не беда, более того, они служили нам изоляционным слоем, который на протяжении истории нашей планеты поддерживал на поверхности Земли температуру выше точки замерзания воды, а без этого невозможно было бы существование сложных живых организмов. Однако быстро поднимающийся уровень углекислого газа нарушает сложившееся равновесие в мире природы и влияет на то, как мы поддерживаем существование своей цивилизации. Он вызвал повышение кислотности океанов, что вредит коралловым рифам, а также рыбному промыслу, при помощи которого мы добываем пищу. Кроме того, потепление мирового климата, в свою очередь, повышает уровень моря, а это ставит под угрозу наши прибрежные города и меняет закономерности осадков на планете, что сильнейшим образом сказывается на сельском хозяйстве.

При всем при том углекислый газ – далеко не единственное загрязнение в результате сжигания ископаемого топлива. Как мы уже знаем, чтобы мертвые организмы не разлагались, а значит, углерод накапливался и превращался в каменный уголь, нефть и природный газ, нужен недостаток кислорода. Именно такие условия способствуют и созданию сульфидных соединений – вот почему на болотах нередко витает характерный запах тухлых яиц, то есть сероводорода, – которые высвобождаются при сгорании углеводородного топлива и реагируют с влагой в воздухе, что дает серную кислоту. Так что бескислородная почва болот каменно-угольного периода и осадки на дне морей мелового периода удерживали еще и будущие кислотные дожди.

 

Оказалось, что сжигать ископаемое топливо – все равно что выпустить джинна из бутылки: тогда, в XVII веке, мы попросили неисчерпаемый источник энергии, и оно исполнило наше желание, но не просто так, а коварно уготовив нам непредвиденные неприятные последствия в отдаленном будущем.

 

Теперь перед нами стоит задача обратить вспять тенденцию, сложившуюся со времен Промышленной революции, и вернуть свою экономику в прежнее низкоуглеродное состояние. На протяжении всей истории человечества мы старались получать все больше и больше солнечной энергии, а для этого интенсифицировали сельское хозяйство и вырубали леса. Эта солнечная энергия преобразовывалась в питание для наших тел, а также в необходимое нам сырье и топливо, и мы научились обращать себе на пользу механические силы мира природы – изобрели водяные колеса и ветряки. Чтобы выйти из нынешнего углеродного кризиса, нам, в частности, следует вернуться к этим древним привычкам, но с технологическими усовершенствованиями. Поля солнечных батарей производят электричество непосредственно, а гидроэлектростанции и ветряные турбины в принципе тождественны водяным колесам и ветряным мельницам, однако несоизмеримо продуктивнее своих технологических предков.

 

Однако, вероятно, следующей революцией на пути человечества к овладению все более и более обширными источниками энергии станет решение задачи термоядерного синтеза: наша задача – обуздать источники энергии, питающие звезды. Термоядерный синтез в недрах звезд создает гелий из ядер водорода и при этом выделяет огромное количество энергии. Несколько научных центров по всему миру уже достигли значительного прогресса в создании экспериментальных реакторов для обычных атомных электростанций. Топливо для термоядерного синтеза можно получать из морской воды, и такие реакторы при работе не выделяют ни углекислого газа, ни радиоактивных отходов с длительным периодом полураспада. Поэтому термоядерный синтез – это не просто производство большого количества энергии: на сей раз энергия будет чистой. И в этом смысле мы пройдем полный цикл: от первых земледельческих сообществ, улавливавших энергию солнца, засевая поля и вырубая леса, до установки миниатюрного солнца в свои ядерные реакторы, чтобы обойтись без посредников.

 

Уровень углекислого газа в атмосфере не вернется к величинам, которые были до Промышленной революции, еще десятки тысяч лет. Перекрывающиеся ритмы циклов Миланковича должны втянуть земной климат в очередной ледниковый период примерно через 50 000 лет, однако мы дали атмосфере такой мощный толчок, что следующее по плану оледенение, скорее всего, пропустим. Так что с точки зрения человечества нет худа без добра, и в бочке дегтя нынешнего глобального потепления есть и ложка меда: в долгосрочной перспективе нашей цивилизации легче будет адаптироваться к жизни при более высоких температурах, чем к возвращению в Северное полушарие ледниковых щитов в километр толщиной, сметающих все на своем пути, и непереносимо сухому морозному климату, при котором сельское хозяйство почти везде станет невозможным (Stager (2012), Kindle location).