Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[crazy_terraformer]

А как насчёт подокисления почв азотной или серной кислотой с целью растворения фосфатов? Это может продлить мучения?

[AlexAV]

Таки какой есть запас летучих веществ в полярных ловушках астероидов, оттуда не почерпнёшь!

У небольших астероидов неправильной формы собственно и устойчивой оси вращения не будет и, соответственно, полюсов в нашем понимание. У таких тел вектор угловой скорости сильно не совпадает с вектором момента импульса в результате чего их свободное вращение представляет собой достаточно сложные и беспорядочные кувырканья тела в пространстве.

А в отсутствие устойчивой оси вращения и говорить о полярных кратерах бессмысленно. Кроме того, наполнение полярных кратеров на Луне и Меркурии летучими веществами было бы невозможно без наличия достаточно заметной гравитации этих тел. Молекулы воды выделяемые при дегазации недр и за счёт взаимодействие протонов солнечного ветра с минералами поверхности не сразу улетает в космос (так как тепловая скорость молекулы воды на много меньше второй космической Луны или тем более Меркурия), а достаточно долго мигрирует вблизи поверхности планеты, оказываясь с достаточной высокой вероятностью не выметенной в космос за счёт взаимодействия с солнечным ветром, а захваченной холодной ловушкой полярного кратера. На телах, где вторая космическая существенно меньше тепловой скорости молекулы воды (около 645 м/с при 300K) - этот механизм аккумуляции воды в холодных ловушках работать не будет.

В общем из-за беспорядочного вращения мелких астероидов такой феномен как кратеры вечной тьмы там маловероятны, а даже если были бы, тот механизм, благодаря которому в таких кратерах на Луне и Меркурии накапливаются летучие вещества на астероидах не работает (из-за слишком низкой второй космической скоростью возникающая молекула воды не будет мигрировать вдоль поверхности астероида (как на Луне или Меркурие), а сразу улетит в межпланетное пространство). Исходя из этого на такого рода источники летучих веществ на астероидах рассчитывать не приходится.     

[crazy_terraformer]

Топливо - сложно. Ловить самим эти одноклеточные водоросли дело неблагодарное.

Это печально. И последствия этого для нашей цивилизации будут печальные

Криль с поимкой справится. Не такие уж и печальные. Просто придётся занятся переработкой канализационных стоков для возврата макро и микроэлементов  на поля. Перерабатывать фекалии, мочу и навоз используя насекомых, их личинок и червей, дабы уменьшить образование фосфина анаэробами(либо придётся его улавливать в биореакторах) и нарастить мощность гумуса почв.
Вывозить конечный продукт можно по ж/д и или трубопроводным транспортом.

[sharp]

Вывозить конечный продукт можно по ж/д и или трубопроводным транспортом.

Напомнило: "кто сдаёт продукт вторичный, тот снабжается отлично"

[Скеп-тик]

Давным-давно слышал анекдот про "эвкалипт прорвало".
И вот с "вечностью" у ВИЭ проблемы...
     Сломался
И на фоне супер-пупер технологий - реальная жизнь на земле из дощатых сараев.

[Lieut]

орая проблема - фосфор осадков это в основном карбонатфтораппатит. Он очень устойчив к морской воде и даже когда она не насыщена по апатиту его растворение происходит столь медленно, что даже в геохимических моделях, которые должны моделировать процессы в океане на масштабе тысяч лет этим процессом полностью пренебрегают. Скажем из этой работы (https://www.nature.com/articles/s41467-020-15673-3):

Удивили. Но, насколько я понял, там речь идет про растворение из глин на дне. А в случаи суспензии глинистых частиц процесс должен происходить более чем на 10 порядков быстрее.

Еще один вариант извлечения фосфора из кларковых концентраций– усиленное химическое выветривание первичных горных пород. Фосфор вымывается не только из наших сельскохозяйственных почв, но и из непроизводительных горных районов/высокогорьев. Из-за повышения содержания углекислого газа в атмосфере химическое выветривание в любом случае будет усиливаться, как через повышение температуры так и через повышение кислотности дождевой воды. Но этот процесс можно еще значительно усилить путем дробления горных пород хотя бы до щебня, и складирование их в местных долинах/балках, чтобы дождевая вода перед попаданием в реки просачивалась через них.

Ну а там растворенный фосфор в большем объеме будет осаждаться в руслах/водохранилищах, либо в аридных районах поставляться на поля непосредственно с поливной водой.

Да, побочное явление – усиленное цветение воды в реках. Там уже поможет только искусственная аэрация воды.

[AlexAV]

Удивили. Но, насколько я понял, там речь идет про растворение из глин на дне. А в случаи суспензии глинистых частиц процесс должен происходить более чем на 10 порядков быстрее.

Не только. При моделирование если в океане образуется слой пересыщенный по апатиту, то убыль растворимого фосфора за счёт кристаллизации апатита в уравнениях учитывается. А вот если под слоем пересыщенным фосфатами находится слой не насыщенный по апатиту, то обратным растворением того что падает из вышележащего слоя полностью пренебрегают.

Т.е., на сколько я понял, принимается, что растворение апатита в морской воде идёт на столько медленно, что даже тонущая свежеобразованная взвесь проходя через ненасыщенный слой растворяется столь медленно, что процессами обратного растворения можно полностью пренебречь. В этом случае задача растворения апатита донных осадков (где он находится в куда более крупных кристаллах, чем в свежеобразованной взвеси) выглядит делом уже совсем безнадёжным.     

[Lieut]

А вот если под слоем пересыщенным фосфатами находится слой не насыщенный по апатиту, то обратным растворением того что падает из вышележащего слоя полностью пренебрегают.

Т.е., на сколько я понял, принимается, что растворение апатита в морской воде идёт на столько медленно, что даже тонущая свежеобразованная взвесь проходя через ненасыщенный слой растворяется столь медленно, что процессами обратного растворения можно полностью пренебречь. В этом случае задача растворения апатита донных осадков (где он находится в куда более крупных кристаллах, чем в свежеобразованной взвеси) выглядит делом уже совсем безнадёжным.     

Фосфор в океане выпадает в осадок на дно не в виде микронных взвесей, а в основном в виде пеллетного транспорта, т.е. относительно крупными кусками.

[AlexAV]

Фосфор в океане выпадает в осадок на дно не в виде микронных взвесей, а в основном в виде пеллетного транспорта, т.е. относительно крупными кусками.

Поток фосфора ассоциированного с органическим веществом - это другое, он учитывается отдельно.

Я о вкладе члена:

\( -q([PO_4^{3-}] - [PO_4^{3-}]_0) \) при \( [PO_4^{3-}] > [PO_4^{3-}]_0 \) (при [\( PO_4^{3-}] < [PO_4^{3-}]_0 \) этот член принимается равным нулю).

\( [PO_4^{3-}]_0 \) - предел насыщения морской воды по апатиту, \( q \) - константа скорости кристаллизации. Этот член - обычная кристаллизация из пересыщенного раствора. А такая кристаллизация даёт как раз тонкую взвесь. Куски относятся к тому, что связано с биологическим транспортом (она учитывается другим членом потоков и источников в уравнениях), а этот член связан с небиологической кристаллизацией из пересыщенного раствора и тут кускам взяться неоткуда. Причём обратного процесса для фосфора связанного таким образом в уравнениях тоже нет.       

[Скеп-тик]

что даже тонущая свежеобразованная взвесь проходя через ненасыщенный слой растворяется столь медленно,

Но жизнь-то - штука довольно кислая. На взвесь неизбежно осядет биота, своими выделениями увеличит растворимость в сотни раз. И может статься, субмиллиметровая частица глины будет "разобрана" микроорганизмами полностью за несколько часов. Был бы свет...

[crazy_terraformer]

Генная или геномная инженерия возможно могла бы помочь для создания донных животных  с панцирем или раковиной из смеси фосфатов с карбонатом кальция, в зависимости от концентрации в воде содержание фосфатов в экзоскелете падает или растёт. Модифицировать можно фильтраторов, падальщиков, хищников. Морских губок, устрий, мидий, крабов, морских звёзд, кораллы(? медленно растут)..

[Lieut]

Я о вкладе члена:

−q([PO3−4]−[PO3−4]0) при [PO3−4]>[PO3−4]0 (при [PO3−4]<[PO3−4]0 этот член принимается равным нулю).

[PO3−4]0 - предел насыщения морской воды по апатиту, q - константа скорости кристаллизации. Этот член - обычная кристаллизация из пересыщенного раствора. А такая кристаллизация даёт как раз тонкую взвесь.

Неужели этот член такой значительный, при условии что как раз дефицит фосфора в основном и лимитирует биопродуктивность океана. Откуда там возмется избыток PO₄^3-, ну разве кроме возле дельт рек? Фитопланктон фосфор обычно извлекает практически до нуля.

PS Повышение кислотности океана из-за СО₂ значительно увеличивает растворимость фосфатов.

[crazy_terraformer]

Фитопланктон — это сколько? Первые 300метров воды от поверхности водоёма?

[Lieut]

Фитопланктон — это сколько? Первые 300метров воды от поверхности водоёма?

Скорее 1-3 метра. Дальше слезы, а не фотосинтез.

[AlexAV]

Неужели этот член такой значительный

В современном океане - нет (этот член становится существенным если приток фосфора в океан оказывается выше некоторого критического уровня, уровень доиндустриального голоцена - ниже). Тут важно скорее само наличие этого члена и его характер (то что связывание тут идёт по сути необратимое).

Откуда там возмется избыток PO43-, ну разве кроме возле дельт рек? Фитопланктон фосфор обычно извлекает практически до нуля.

При превышение поступления фосфора критического уровня слой, где идёт его химическое осаждение, образуется не у поверхности, а на глубинах в диапазоне 300 - 1000 метров. Профили концентрации фосфора в морской воде при различных уровнях поступления фосфора выглядят как-то так:



Т.е. у поверхности и глубже 1000 метров  даже при большом поступление фосфора в океан вода оказывается не насыщенна по апатиту. Химическое осаждение последнего может идти лишь в относительно узком слое средних глубин. Принципиально тут то, что, судя по всему, продуты этого химического осаждения не растворяются обратно при прохождение ненасыщенных по апатиту глубинных вод. Это обстоятельство как раз и делает достаточно сомнительной идею подъёма и распыления  донных осадков на поверхности океана (если взвесь из свежеосаждённого апатита не успевает заметно растворяться в процессе своего движения ко дну, то куда более крупные кристаллы апатита донных осадков не успеют тем более). 

PS Повышение кислотности океана из-за СО2 значительно увеличивает растворимость фосфатов.

Безусловно. Тут однако нужны какие-то количественные оценки относительно того на сколько это может повлиять на геохимический цикл фосфора в океане...

[Lieut]

Т.е. у поверхности и глубже 1000 метров  даже при большом поступление фосфора в океан вода оказывается не насыщенна по апатиту. Химическое осаждение последнего может идти лишь в относительно узком слое средних глубин. Принципиально тут то, что, судя по всему, продуты этого химического осаждения не растворяются обратно при прохождение ненасыщенных по апатиту глубинных вод. Это обстоятельство как раз и делает достаточно сомнительной идею подъёма и распыления  донных осадков на поверхности океана (если взвесь из свежеосаждённого апатита не успевает заметно растворяться в процессе своего движения ко дну, то куда более крупные кристаллы апатита донных осадков не успеют тем более).

Согласно модели. Которая много чего не учитывает. И конечно не точно соответствует реалиям.

При превышение поступления фосфора критического уровня слой, где идёт его химическое осаждение, образуется не у поверхности, а на глубинах в диапазоне 300 - 1000 метров

А нас интересует первые пару десятков метров, точнее первый метр.

[AlexAV]

А нас интересует первые пару десятков метров, точнее первый метр.

Для общего баланса фосфора в океане важны процессы на всех глубинах. В частности процессы в среднем слое самым определяющим образов влияют на поступление фосфора в фотическую область (и, особенно, на степень замкнутости цикла фосфора в океане, т.е. на то какая часть ассимилированного живыми организмами фосфора вернётся оборот в круговорот, а какая будет окончательно захоронена в осадках абиссальных глубин).

Так что нет, хотя нас и интересует прежде всего фотическая область, но то, что там происходит самым тесным образом связано и с процессами на больших глубинах.

[Инопланетянин]

А этот нерастворимый фосфор нельзя вытаскивать не для распыления в верхних слоях, а для использования в сельском хозяйстве? Если захороняется немного, то и вытаскивать его будет не так сложно? Или тоже никак?

[AlexAV]

Но жизнь-то - штука довольно кислая. На взвесь неизбежно осядет биота, своими выделениями увеличит растворимость в сотни раз. И может статься, субмиллиметровая частица глины будет "разобрана" микроорганизмами полностью за несколько часов. Был бы свет...

Вот этот момент меня и сильно удивил. То что фтораппатит в слабощелочной морской воде (к тому же относительно богатой кальцием) будет растворяться исключительно медленно - это не очень удивительно. Но живые организмы вскрывать апатит в принципе умеют (пусть и не слишком быстро). И здесь казалось бы стоило ожидать, что деятельность микробиоты морского дна должна непрерывно переводить минеральный фосфор в органический (откуда он должен легко переходить в раствор). А это должно определять граничное условие на дне
\[
[PO_4^{3-}] = [PO_4^{3-}]_0 \]

А в моделях задаётся  граничное условие:
\[
w[PO_4^{3-}] - k\frac{d[PO_4^{3-}]}{dz} - \eta_P NP [(1-\beta)\alpha + (1- \alpha)exp(-\sigma z)] = 0 \]

Второе граничное условие по сути указанным процессом перевода фосфора апатита в растворимый фосфор биотой морского дна полностью пренебрегает. И если мы его ставим, то процесс его захоронения там происходит практически необратимо.

Различие в предсказание результата увеличения интенсивности апвеллинга с первым и вторым граничным условием отличаются абсолютно принципиально. С первым это должно вести к сильному росту биопродуктивности, со вторым (которое берётся в большинстве опубликованных моделей) - эффект от этого будет абсолютно нулевым. Факт, что выбирается второй вариант граничного условия (т.е. по сути считается, что биорастворения апатита и других захораниваемых форм фосфора в результате деятельности микроорганизмов на дне нет вообще) у меня на самым деле вызывает большое удивление. 

[AlexAV]

А этот нерастворимый фосфор нельзя вытаскивать не для распыления в верхних слоях, а для использования в сельском хозяйстве? Если захороняется немного, то и вытаскивать его будет не так сложно? Или тоже никак?

В принципе можно. Если ил с океанического дна поднять и отмыть от избытка соли, то его вполне можно запахать в почву. И тогда содержащийся там фосфор будет постепенно переходить в биодоступную форму (pH почвы на много ниже pH морской воды, плюс ряд растений, скажем бобовые или гречиха, имеют специфические адаптации позволяющие им вскрывать малорастворимые соединения фосфора в почве, такие как апатит).

Тут сложность только в объёме добычи этих донных осадков, которая потребуется. При среднем содержание 900 грамм на тонну (среднее содержание фосфора в красных глинах океанического дна) для компенсации потерь в 11.1 млн. тонн потребуется извлекать и вывозить на поля 12.3 млрд. тонн таких осадков ежегодно.