Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Азот добавлять не так уже и обязательно. Его присутствие конечно может облегчить и ускорить рост, но цианобактерии и сами вполне могут заниматься азотфиксацией.

При обогащение только фосфором цианобактерии сами по себе могут стать проблемой. Уж очень они любят синтезировать всякую ядовитую гадость. В рассматриваемом случае добавление азота желательно хотя бы для того что-бы подавить их избыточное размножение.

На сколько я понимаю, главное конкурентное преимущество цианобактерий - способность к азотофиксации. И при избытке азота (т.е. при высоком соотношение N/P) они обычно проигрывают эукариотическим фотосинтезирующим организмам.

P.S. Нашёл относительно простую одномерную геохимическую модель для распределения фосфора в колонке морской воды (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/JC094iC02p01979). Нужно будет попробовать её написать и поиграться с ней, чтобы понять вообще есть ли в искусственном обогащение верхнего слоя океанической воды какой-то смысл, или сразу всё утонет.

[AlexAV]

Тут видите ли, в чём проблема, перекрытие плотинами рек создаёт немалые проблемы рыбам, особенно нерестящимся. Которые могут быть как источником фосфора, так и пищей.

На самом деле не совсем. Это по большей части полумиф. Полу- по той причине, что некоторые виды действительно страдают (виды характерные для водоёмов с быстрым течением, и, особенно, проходные виды), но виды болотный и озёрные наоборот сильно выигрывают. Причём по сумме от запруживания реки рыбы на самом деле становится больше, а не меньше, просто в общей биомассе рыб сильно увеличивается количество таких видов, как карп/сазан, линь, карась, толстолобик, белый и чёрный амур, лещ, щука (и других видов предпочитающих водоёмы со стоячей водой).

От создания больших по площади водохранилищ суммарная биомасса (и соответственно потенциальный вылов) рыбы только увеличивается, хотя в общей массе улова и может расти доля доля менее ценных сортов рыбы. Но говорить о том, что водохранилища сокращают общий объём рыбы - абсурдно. Количество калорий, животного белка и фосфора, которое содержится в вылавливаемой рыбе от создания водохранилищ также увеличивается.

Создание водохранилища - это по сути превращения биотопа реки в биотоп озера. Но чем так плохи озерные экосистемы, чтобы их считать вредными? Первичная продуктивность стоячего озера и биомасса рыбы в нём на самом деле обычно даже больше, чем в реке (даже в расчёте на площадь водной поверхности, а если учитывать то, что сама водная поверхность при создание водохранилища сильно увеличивается, то по части валовых рыбных ресурсов запруживание реки вообще может давать огромный выигрыш). Просто видовой состав немного меняется.

Можно ли использовать ил со дна водохранилищ? Это очень сложный вопрос. Подозреваю, там не только фосфора много, но и тяжёлых металлов, а в кое-где - и радиоактивные изотопы /на Днепре, например/.

Тяжёлые металлы действительно могут накапливаться в озёрном иле. Вот только эта проблема будет существовать только до того момента, пока имеет место избыточное поступление тяжёлых металлов в речную воду. И это явление очень временное. Все тяжёлые металлы - редкие элементы, а их месторождения ограничены и исчерпаемые. После исчерпания их месторождений применение данных металлов сойдёт практически на нет (их попросту будет неоткуда брать, т.е. совсем) и, соответственно, их избыточное поступление в водоёмы с промышленными и бытовыми стоками также исчезнет. А если в воде водоёмов не будет превышения содержания тяжёлых металлов над естественным фоном - то и в иле его тоже не будет, попросту браться им там будет неоткуда.

Радиоактивные элементы - проблема ещё более надуманная. Их количество в иле достигает значений, чтобы влиять хотя бы на что-то (ну чтобы активность искусственных радиоактивных изотопов хотя бы превзошла активность естественного калия) имеет место разве что в р. Припяти вблизи одноимённого города. Современный ил даже Днепра какого-то опасного количества искусственных радиоактивных элементов не содержит. 

Совсем перекрывать сток фосфора в Мировой океан тоже нельзя, иначе рискуем получить проблемы куда более серьёзные.

Да, в этом деле нужна определённая осторожность и чувство меры. В идеале сток фосфора в океан должен соответствовать прединдустриальному уровню, в этом случае и океан получит нужный объём фосфора и агроценозы суши будут сохранять стабильность (сейчас он значительно выше этого значения).

[AlexAV]

Хм. Каких таких ресурсов не хватало Риму?

Крах Римской империи совпадает с раннесредневековых похолоданием, что очень сильно снизило продуктивность сельского хозяйства как в Европе (из-за снижения годовой сумму активных температур), так и и на Ближнем востоке и в Африке (из-за снижение количества осадков, похолодание всегда ведёт к опустыниванию, а потепление климата увеличивает количество осадков и уменьшает количество пустынь в тропическом поясе). Плюс Античный мир к к тому моменту столкнулся с исчерпанием доступных на том уровне месторождений металлов. Т.е. металл стал дороже и малодоступнее.

Так что деградация ресурсной базы тут более чем была. И судя по всему это и было главной фундаментальной  причиной краха античной цивилизации.

[AlexAV]

окончательный крах ВОСТОЧНОЙ Римской империи наступил после взятия Константинополя османцами

Формально - да. Но уже после арабского завоевания - это по сути уже не Римская Империя, а греческое царство. После Ираклия I, там и территория радикально сокращается и культура очень быстро меняется и даже в части языка происходит окончательный переход с латинского на греческий. Если Восточная Римская Империя Юстиниана Великого - это ещё во многом позднеантичная Римская Империя, то после катастрофы VII века - она становится уже чем-то иным. В этом смысле как раз период арабских завоеваний в 7-м веке стоит рассматривать как период финального кризиса и окончательной гибели Античной цивилизации, после этого события даже та её часть, которая формально сохранила прежнее название, по сути перестала ей быть.

[AlexAV]

И все эти недостатки ресурсов - были следствием этого кризиса - а не его причиной.

Нет именно причина. Античное общество попало в вилку непрерывно растущих затрат и падающей продуктивности экономики. В определённый момент свободных ресурсов стало не хватать для ответа на те или иные вызовы и всё посыпалось.

Будь в то время интернет и экономисты и политологи - они бы еще за 300 лет до "краха" обсуждали бы неминуемую кончину Римской империи.

Это всё видно с тысячелетней дистанции. Для тех, кто жил тогда это было очень не очевидно. Скажем в 377 году едва ли хоть по каким-то признакам можно было сказать  какой мрак начнётся всего через 20 лет. Казна вроде бы наполнена, армия сильна, в империи относительный порядок. Проходит всего год, происходит Адриапольская битва, и всё летит в пропасть. Всего через пару (речь о Западной Империи) десятилетий казна пуста, административное управление полностью разрушено, от регулярной армии не остаётся практически и следа, бывшие федераты спокойно ходят по империи как хотят и делают что хотят.

Какие-то макроэкномические и демографические признаки были и до этого. Чрезмерный рост налогов, плавное разрушение торговли, варваризация армии и т.д.. Но кто на всё это обращал внимание, пока всё не посыпалось?

Ну или более близкий пример, уже индустриального общества. Кто 1985 году, да даже в 1988, мог сказать, что в 1991 СССР не станет. Ретроспективное, изучая всю историю процесса, разрушительные явления там выявить можно, но изнутри него это было совсем не очевидно.

На самом деле хотя сами фундаментальные кризисные процессы вещь медленная и долговременная, но переход вызванного ими кризиса от латентной фазы к явной происходит как правило очень резко. Причём связь этих причин с самим коллапсом общества как правило так запутана, сложно и не очевидна, что современник процессов её обычно вообще склонен не замечать. По крайней мере до момента, когда всё не посыпится.

Так что возвращаясь к нашему времени - о приближении краха мы узнаем задолго до того как он случится. Например по череде гражданских войн и бунтов в развитых странах. О чем сейчас и намека даже нет.

Когда начнутся бунты - тогда, как говорится, всё приехали. Это точка начала самого коллапса за которой он становится необратимым. А латентные признаки, показывающие, что у современного индустриального общества в общем всё идёт очень не хорошо, а внутри него развивается тяжёлый патологический процесс более чем на лицо.

Скажем, ни одна развитая страна неспособна даже к простому воспроизводству собственного населения. Хронические дефицит бюджета в большинстве развитых стран (это вообще классический признак общества близкого к коллапсу). Сильно опережающий рост денежной массы M1 по сравнению с ростом экономики (по сути та же самая классическая порча монеты). Это всё признаки, что у современного общества не просто нет ресурсов для ответа на кокой-то более менее существенный внешний вызов, но даже для обеспечения своего собственного воспроизводства в нормальных условиях.

[AlexAV]

Армии не существовало уже за 20 лет до 377-ого года,вся она осталась на полях битвы при Мурсе.

В самом начале 5-го века римские легионы в Западной Империи всё ещё продолжают существовать. О них существуют прямые упоминания, скажем о VIII Августовом легионе или II Неустрашимом Траяновом легионе. Так что нет. В самом конце 4-го века регулярная римская армия совершенно точно продолжает существовать. Исчезает (в Западной Империи) она по большей части в первой четверти 5-го.

[AlexAV]

В настоящий момент видим продолжение развития науки и техники

Очень сильно замедляющееся, собственно крупных научных достижений масштаба создания классической электродинамики или квантовой теории в 21-м веке нет вообще. Крупных технических прорывов вроде создания двигателя внутреннего сгорания или транзистора в общем тоже. По сути большого прогресса в материаловедение, химии, энергетике и, как ни странно, даже электронике (современные микросхемы по сути те же КМОП транзисторы, что и пару десятилетий назад, несколько модифицированные, но физический принцип остался тем же) сейчас нет и не предвидеться. Кое-что действительно новое даёт только разве что биология. Так что нет, вот тут как раз застой и исчерпание возможностей для дальнейшего развития на лицо.

С экономикой не лучше. Индустриальное производство в развитых странах по сравнению с 2008 годом практически не выросло, а в отдельных странах (скажем Италии) вообще упало. Иллюзию роста создаёт только догоняющее развитие стран ещё полностью не прошедших аграрно-индустриальный переход. Но это рост от внедрения достижений по большей части 20-го века на периферии, где оно шло с запаздыванием. Это по своей природе процесс ограниченный и временный. А технические достижения 21-го века, судя по статистике развитых стран (где этого эффекта догоняющего развития нет), дают экономике не так уж и много.

[AlexAV]

Индустриальное производство в развитых странах по сравнению с 2008 годом практически не выросло, а в отдельных странах (скажем Италии) вообще упало.

Чтобы не быть голословным. Вот график индекса промышленного производства Франции (см. приложенный файл). Вы на нём рост после 2008 года видите? Я как-то не очень.

[AlexAV]

Осетра не вижу в списке. А чёрной икры хочется.

Большинство осетровых - проходные виды, они от создания водохранилищ действительно страдают.

Отдельный пункт стерлядь (это число пресноводная рыба), с ней не понятно. С одной стороны её численность в последние десятилетия снизилась (правда она снизилась и в не запруженных реках, в том же среднем течение Дона, где никаких водохранилищ нет, а виной всему по большей части банальный перепромысел, т.к. рыба краснокнижная - браконьерский). С другой в тех же волжских водохранилищах для неё существует широкая кормовая база со слабой конкуренцией со стороны других рыб (http://earthpapers.net/rybovodno-biologicheskaya-otsenka-vseleniya-sterlyadi-v-ivankovskoe-vodohranilische). Т.е. тут могут работать и какие-то временные факторы вроде снижения содержания кислорода в придонном слое в первые десятилетия существования водохранилища (из-за того, что на дно свежесозданного водохранилища попадает большое количество органического вещества,  процесс разложение которого потребляет большое количество кислорода), временная депрессия популяции из-за резкого изменения условий обитания и т.д.

Правда стерлядь очень чувствительна к содержанию кислорода в воде, из рыб Центральной России одна из самых чувствительных. Т.е. потенциально проблема может быть в снижение концентрации кислорода в придонном слое (это бентосная рыба) из-за снижения скорости перемешивания воды и роста её эвтрофикация, что ведёт к росту первичной продуктивности и, соответственно, увеличению поступления органического вещества на дно водоёма, где его разложение снижает содержание кислорода. С этим, кстати, при желание можно бороться техническими средствами размещая станции искусственной аэрации, которое бы нагнетали воздух в глубинные слоя воды прудов и водохранилищ.

[AlexAV]

есть уклон в сторону квантовой химии и прочих квантовых симуляций...ясен пень что пока речь идет о 2- 3- ну отсилы 4- атомных молекулах...не бог весть что, но вот если удастся тезнически реализовать корректирующие коды, авось удастся  реализовать многокубитные вычисления...

В пригодность цифровых квантовых компьютеров (с вентильной моделью вычислений), т.е подходов использующие алгоритм оценки фазы, да и, впрочем, вариационные на основе преобразований унитарных связанных кластеров (там те же яйца, вид с боку) - честно говоря не верю от слова совсем. Там главная беда в использование преобразования Троттера из-за которого, при необходимости обеспечивать химическую точность, требуемое количество квантовых вентилей становится совершенно невменяемым. Для атома йода (всего лишь одного атома) потребовалось бы что-то около 10 миллионов (если правильно помню). И это без коррекции ошибок. Использование симплексных кодов с алгоритмами коррекции ошибок должно увеличить это число ещё на 3-4 порядка. Картина тут выглядит какой-то совершенно невменяемой (особенно если сравнивать с тем, что на самом деле умеют все эти квантовые компьютеры от Google c IBM, где точность выполнения даже простого алгоритма из нескольких вентилей, вроде протокола квантовой телепортации, способна вызвать лишь слёзы).

Вот из адиабатических что-то может и получится (что-то типа D-Wave, но не совсем, D-Wave имеет гамильтониан типа решётки Изинга, а для такого гамильтониана доказано, что адиабатический квантовый компьютер его использующий может решать задачи только из класса StoqMA, а общая задача квантовой химии относится к QMA, при этом QMA шире StoqMA, универсальный адиабатический квантовый компьютер в гамильтониане должны содержать как члены вида \( \sigma_z\sigma_z \), так и \(  \sigma_x\sigma_x \) одновременно). Там сейчас доказаны теоремы, показывающие их универсальность, причём для гамильтонианов довольно простого вида и , что важно, даже на двумерной решётке элементов. Там с проблемой конвергенции бороться проще (из-за наличия энергетической щели между состоянием кодирующим решение задачи и прочими состояниями, служащими источниками ошибок) и вычисления не требуют процедуры троттаризации, ведущий к невменяемому усложнению квантовой вычислительной системы (правда есть другая проблема, для отображения гамильтониана молекулы на гамильтониан вычислительной системы используется теория возмущений, что вызывает необходимость вводить очень широкую дополнительную энергетическую щель, создающую существенную проблему точности).

P.S. Если универсальный квантовый компьютер, пригодный для решения сколько-нибудь сложных задач, действительно удастся создать - это действительно можно будет отнести к крупнейшим техническим достижением. Но пока это ещё не сделано. Недокомпьютер от D-Wave (используемая там архитектура в принципе не годится для решения общей квантовой задачи, для этих целей нужно, чтобы взаимодействие элементов адиабатического квантового компьютера описывалось гамильтонианом совсем иного вида, чем используется в D-Wave) и игрушки от IBM и Google не в счёт.

[AlexAV]

не посчитать даже спектр газообразной воды

Воды - можно. Там всего 8 валентных электронов. Даже если от приближения Борна-Оппенгеймера отказаться всё равно всего 11 квантовых частиц, которые имеет смысл явно в модели учитывать (электроны кора с достаточной точностью учитываются через псевдопотенциал). Такое сейчас считать умеют. А вот что-то сложнее, какой-нибудь комплекс переходного металла в водном растворе с гидратной оболочкой или даже небольшой пептид - там да, всё становится весьма печально.

[AlexAV]

И что там печального?
Да, для переходных металлов приходиться вводить ядерный потенциал, ну так внутренние электроны все равно не берут участие в химических преобразованиях.

Всякие релятивистские эффекты нужно учитывать. Т.е. спин-орбитальное взаимодействие и т.д. Особенно если речь об элементах 6 и 7 периодов. Хотя я и не спорю, что для простых молекул вроде ThO в газовой фазе фазе и тут всё можно посчитать очень точно, методы есть.

А вот в растворах, когда у нас уже во  2-й координационной сфере сферах уже могут быть десятки молекул растворителя, а точность нужна такая, чтобы ошибка была много меньше масштаба энергии межмолекулярного взаимодействия - это уже становится проблемой. Для строгих методов никаких вычислительных мощностей не хватит, а приближённые, вроде DFT, необходимой точности не дают.

[AlexAV]

Да, с помощью DFT.

DFT очень хорошо работает для металлов, удовлетворительно для ковалентных кристаллов, оксидов и ионных кристаллов и т.д. А вот там где нужно очень точно описывать межмолекулярное взаимодействие - почти не пригоден (молекулярные кристаллы, растворы), правильный результат там удаётся получить разве, что только случайно. Сейчас есть конечно некоторые обменное-кореляционные функционалы, для которых декларируется, что они вроде бы должны описывать межмолекулярные силы, но на практике работают они очень так себе.

[AlexAV]

Что значит растворы не может описать.

Скажем рассчитать энтальпию растворения того или иного вещества в заданном растворителе (например нафталина в ацетоне). Если считать термодинамику раствора квантовой молекулярной динамикой с использованием DFT - получить значения хоть сколько нибудь-похожие на реальные практически невозможно, только если случайно попадёте.

[AlexAV]

И затрачивать до МДж/кг кислорода

Меньше. Типовая глубина водохранилищ редко бывает более 20 метров. Это соответствует давлению у дна около 3 атм (2 атм - давление воды + 1 - атмосферное). Работа на адиабатическое сжатие газа:

\[ A = \frac{RT}{\gamma-1}((P/P_0)^{(\gamma-1)/\gamma}-1) \]

Итого получается 2300 Дж/моль. С учётом, что кислорода в воздухе 21% получаем 0.34 МДж/кг. С учётом КПД компрессора (ну скажем процентов 70) - 0.5 МДж/кг.

Перемешивание слоёв воды может будет менее энергозатратным?

Сильно сомневаюсь, что получится меньше.

[AlexAV]

И затрачивать до МДж/кг кислорода, лишь часть которого поглотится водой? Перемешивание слоёв воды может будет менее энергозатратным?

Кстати имеет смысл оценить валовые энергозатраты на такое мероприятие. Вот данные об образование и деструкции органики в волжских водохранилищах (https://www.booksite.ru/fulltext/natural/biolog/text.pdf) (см. приложенный файл).

В качестве примера возьмём Волгоградское водохранилище. Общий объём подвергающейся там деструкции органики - 698 тыс. тонн (в пересчёте на углерод). Для его окисления расходуется 1861 тыс. тонн кислорода. Средняя глубина Волгоградского водохранилища - 10 метров (соответствует среднему необходимому давлению 2 атм), способом описанным выше (принимая КПД компрессора как 70%) оценим расход энергии как 0.3 МДж/кг O2.
Соответственно затраты энергии на аэрацию в объёме гарантированно обеспечивающем водоём кислородом - 155.1 ГВтч/год (17.7 МВт в среднем). Годовая выработка Волжской ГЭС (плотина которой подпирает это водохранилище) - 11500 ГВтч/год. Т.е. такие мероприятия по искусственной аэрации потребовали бы лишь около 1.3% энергии ГЭС плотина которой подпирает водохранилище. В общем выглядит вполне приемлемо.

[AlexAV]

КПД учитывает прокачку воздуха через мелкие отверстия ? Надоть гарантировать растворение кислорода в воде, иначе пузырями-то он на поверхность в атмосферу обратно вылетит.

Распылитель добавит 0.1-0.2 атм к полному перепаду давления, не больше. Т.к. перепад давления обусловленный гидростатическим давлением столба воды тут много больше (при типичной глубине водохранилищ 1-2 атм), то это радикально на оценки не повлияет.

[AlexAV]

и предполагая площадь потоков 2%,

2% - это 62.3 км2, что выглядит не реалистично большой цифрой. Что бы это реализовать потребуется 12.4 миллиона упомянутых Вами труб диаметром 0.8 метро. Это совершенно неадекватные значения.

Всё же думаю стоит исходить из плотности размещения установок не более одной на квадратный километр (3117 установок - уже не мало, хотя ещё представимое количество) с какой-то реалистичной суммарной площадью сечения труб для каждой.

[AlexAV]

Прогресс в науке всегда был, есть и всегда будет, пока есть люди.

Совсем не обязательно. Разнообразие явлений природы, которые могут быть предметом естественных наук, совсем не безгранично. Соответственно в определённый момент может настать момент, что просто изучать станет нечего (кстати, во многих разделах физической науки он по сути уже наступил).

Т.е. может быть правильно оставить 2-3 постиндустриальных экономики в США, Европе, Гонконге,   несколько десятков индустриальных экономик, а остальным быть аграрной периферией?

Э... Вы не находите, что в описанной картине у людей живущих в этой самой аграрной периферии будет немного иное мнение. И они будут предпринимать какие-то усилия, чтобы это исправить.

Это современное деление на центр и периферию -  в общем реликт эпохи великих географических открытий и колонизма. И по большей части является следствием той исторической случайности, что первой научная и индустриальная революция произошла в Европе (тут в конце-концов в любом случае кто-то должен был быть первым). Однако такая ситуация не является устойчивой, ведь никаких объективных причин по которым США живёт лучше Нигерии по сути нет. Соответственно по мере проникновения достижений НТР разрыв в уровне экономического развития между странами будет сокращаться. Уж путём роста экономики условной Нигерии в силу внедрения достижений НТР или деградации условных США в силу исчерпания ресурсной базы - это уж как получится. Но мир совершенно точно со временем будет становиться всё более однородным.

[AlexAV]

красиво, но наивно, если сохранится тот же способ производства и распределения благ, а так же модели управления экономикой и обществом

Верно, ведь властвующие страны просто не дадут развиться другим любыми доступными средствами, при чем не только экономическими санкциями но и даже крылатыми.

Сравните, скажем, Китай в 1920 и 2020 году. В 1920 - полуколониальная территория территория, разрываемая гражданской войной, находящая в положение во многом худшем, чем современная Африка. А сейчас - первая (по валу) экономика мира. Или Корею (тоже в самом начале 20-го века и сейчас).

На больших временных отрезках все эти "не дадут" не работает.