Александр Портнов
Каждое извержение – это десятки и сотни миллиардов кубометров газа с преобладанием водорода.
Фото Reuters
Выхлопы автомобилей превратили воздух городов в ядовитый сизый смог. Человечество ежегодно сжигает до 10 млрд. тонн условного топлива и взамен выбрасывает в атмосферу 40 млрд. тонн углекислоты в сочетании с массой смертельно опасных углеродистых и сернистых соединений. В то же время мировые запасы нефти и газа быстро сокращаются.
Возможным выходом из эколого-энергетического тупика является начатая в развитых странах замена бензина водородными топливными элементами, где пористые электроды разделены мембранами с платиновым напылением. Каталитические свойства платины позволяют окислять водород без взрыва и превращать его в обычную воду с огромным КПД, достигающим 95%.
Проблема источника
Энергия, получаемая при окислении водорода, велика. Теплоотдача водорода составляет 125 000 кДж/кг и превосходит все виды топлива. Водородно-энергетическая революция может коренным образом изменить основы мировой энергетики и экологическую обстановку в мегаполисах будущего.
Однако возникает вопрос: где найти источник дешевого водорода для решения технических проблем? Конечно, циклопическое количество водорода содержится в воде океанов. Но разложение воды на водород и кислород требует еще большей энергии, чем та, которая возникает при сжигании водорода. США, например, планируют получение водорода за счет реакций гидрогенизации каменного угля при его взаимодействии с водяным паром: при этом возникают водород, метан и оксид углерода.
США добывают ежегодно 1100 млн. тонн каменного угля – и техническая задача получения водорода за счет каменного угля для них вполне реальна. Китай добывает чудовищное количество угля – 2500 млн. – и способен решить эту проблему. Совсем другое дело Россия, добывающая всего 280 млн. тонн черного золота. Месторождения водорода геологам неизвестны. Где на планете концентрируется водород?
Глубинный газ планеты
Еще в 70-х годах прошлого века советский геолог В.Н.Ларин предложил гипотезу гидридного ядра Земли. В отличие от классической точки зрения о железо-никелевом ядре нашей планеты Ларин высказал мысль о том, что ядро содержит сверхсжатый водород, оставшийся от протопланетной стадии формирования Земли. Не исключено, что здесь содержится протонная плазма, при «обрастании» которой электронами возникают атомы водорода и выделяется огромная тепловая энергия.
В жидком ядре атомарный водород, видимо, находится в равновесии с водородом, включенным в железо-никелевое ядро. Явление включения (окклюзии) наиболее сильно проявлено в платине и палладии, способных впитывать в себя как губка, на один объем металла до 900 объемов водорода. Но оно установлено также для железа, хрома, никеля.
Слияние двух атомов водорода с выделением энергии 416 кДж/моль может помимо радиоактивного распада объяснить энергию глубинных геологических процессов. «Молекуляризация» атомарного водорода может также объяснить поток энергии, идущий от жидкого ядра Земли и представленный тепловыми аномалиями срединноокеанических хребтов, «горячими точками» Гавайских островов в Тихом океане, Йеллоустона в Северной Америке, Килиманджаро в Африке и др.
Несомненный источник водорода находится в зонах субдукции («подныривания» одна под другую тектонических плит). Модель превращения некоторых геологических пород с выделением водорода при воздействии океанической воды предложена Б.А.Дмитриевым, Б.А.Базылевым и С.А.Силантьевым в 1999 году. Эксперименты этих ученых показали, что при гидратации одного кубокилометра оливин-пироксенового перидотита, слагающего верхнюю мантию, возникают 500 тыс. тонн (или 50 кубокилометров) молекулярного водорода и 250 тыс. тонн метана. Субдукция Тихоокеанской плиты составляет от 2 до 9 см в год, при этом в мантии постоянно выделяется водород.
Над зонами водородогенеза по берегам Тихого океана стоят шеренгами сотни вулканов. С площадей в десятки тысяч квадратных километров они собирают в свои жерла водород, буквально выжимаемый из мантии. И почти весь этот водород сгорает, образуя лаву, или взрывается, уничтожая жителей и наводя на них ужас.
Мантийные «водородные бомбы»
К зонам субдукции приурочены самые газонасыщенные вулканы. К ним в России относятся камчатские огнедышащие горы – Ключевская сопка (4850 м), Кроноцкая сопка (3730 м), Плоский Толбачик (4030 м); на Курильских островах – вулкан Алаид (2334 м); в Японии – Фудзияма (3778 м), на Липарских островах – Стромболи, в Италии – Везувий и многие другие. Концентрация водорода в этих вулканах может быть весьма значительной.
Нередко вулканы курятся в течение нескольких лет. Извержения начинаются со страшного рева скоростных газовых потоков, уходящих на высоту до 10–15 км и расплывающихся в стратосфере в виде пинии – итальянской сосны, растущей на склонах Везувия. Объем выброшенного газа составляет десятки тысяч кубических километров.
Чудовищный взрыв вулкана Кракатау в проливе между островами Ява и Суматра 27 августа 1883 года поднял вулканические газы и пепел на высоту в 70 км! Грохот взрыва был слышен за 3,5 тыс. километров, в Австралии и на Шри-Ланке. Энергия взрыва была эквивалентной взрыву 400 водородных бомб. На воздух было поднято 18 куб. км скального грунта, остров – вулкан Кракатау исчез под водой, а на его месте возникла воронка глубиной 0,5 км.
В 1902 году произошел грандиозный взрыв вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника. Вулкан высотой около 1,5 км уже извергался в 1851 году, но тогда жители города Сен-Пьер благополучно пережили извержение. Ранним утром 8 мая раскаленная туча с температурой газа около тысячи градусов за три секунды преодолела расстояние в 8 км, отделявшее кратер от набережной, где в порту столпились 30 тыс. горожан. Сен-Пьер исчез, сметенный потоком огня. Толпа людей была сброшена в море. В облаке пламени море закипело, корабли вспыхивали как факелы. Из всего населения уцелел один преступник, посаженный в подвал тюрьмы с толстыми каменными стенами. Из жерла вулкана давлением газа был выдавлен каменный блок высотой 400 метров! Прибывшие спасатели обнаружили обгоревшие трупы и полностью уничтоженный город. Объем выброшенного газа в этом случае можно оценить в 10–20 тыс. куб. км.
6 июня 1912 года произошло страшное взрывное извержение вулкана Катмай на Аляске. Столб пепла поднялся на 20 км, грохот взрыва был слышен за 1200 км. Раскаленный пепел полностью засыпал долину близлежащей реки шириной 4 и длиной 23 км. Прибывшие через четыре года американские геологи увидели на месте глубокой долины равнину, покрытую пеплом, из-под которого с ревом вырывались белые фонтаны дыма. Вулканолог Григгс назвал это место «Долиной десяти тысяч дымов». Он установил, что взрыв поднял в воздух 30 млрд. тонн горных пород, примерно столько же, сколько и вулкан Кракатау в 1883 году. Но состав газов, ответственных за взрыв, как и в предыдущих случаях, остался неизвестным.
Газовой активностью обладают и многие вулканы Камчатки. Так, например, самый северный на полуострове вулкан Шивелуч в 1954 году выбросил столб огня высотой 20 км. Его видели жители селений, расположенных в 500 км от вулкана. Взрывная волна дважды обошла земной шар. Глыба весом 2800 тонн была выброшена взрывом на расстояние 2 км, а вулканические бомбы весом 500–700 тонн летели на 10–12 км! Поскольку газ горел, то состав его, видимо, был водородный. Выброс водорода можно оценить в десятки тысяч кубических километров.
Что является причиной таких взрывов? Геологи и вулканологи считают, что причина – пары воды, выделившейся из магмы при снижении давления. Мы думаем, что это был сжатый раскаленный мантийный водород, мгновенно окислившийся в атмосфере. Объем выброшенного газа в таких катастрофах огромен, и его можно оценить ориентировочно в 50–100 тыс. куб. км, что в десятки раз превышает объем газа, добываемого ежегодно на Земле.
Размеры кальдер, в которые оседают и «проваливаются» вулканы после мощных извержений, свидетельствуют о значительной роли газов. Очевидно, что именно газовая фаза выносит к поверхности массу глубинного материала, создает горы высотой в несколько километров, но при этом формирует грандиозные подземные пустоты, в которые впоследствии проваливаются вулканические горы. По диаметру кальдеры можно судить о газонасыщенности вулкана. Известны кальдеры диаметром в десятки километров, например, кальдера Узона на Камчатке, кальдера острова Санторин около Крита и другие.
 Нередко вулканы курятся в течение нескольких лет. Фото Reuters |
Большое пламя
Геологи обычно изучают вулканические породы, но гораздо меньше внимания обращают на газы, поскольку раскаленные газы собирать и анализировать трудно, а застывшую лаву – легко. Между тем объем газов в сотни и тысячи раз превышает объем лав. Вулканолог Риттман одним из первых указал в 1964 году, что вулканы следует рассматривать как структуры дегазации нашей планеты. Очевидно, что процессы окисления газа при его выходе на поверхность полностью изменяют его первичный состав.
Газы исследуют вулканологи: с опасностью для жизни они набирают в пробирки раскаленные газы, поднимающиеся с поверхности расплавленной лавы. В пробах резко преобладают вода и углекислота. Но нет никаких оснований считать эти газы глубинными: это вторичные продукты, возникшие при сгорании водорода и метана.
Иногда вулканологам удается увидеть горение первичного газа. Исследователь вулканов Гарун Тазиев на поверхности кипящей лавы в кратере вулкана Эрта-Але в Эфиопии наблюдал завораживающий танец тысяч бледно-голубых и синеватых полупрозрачных язычков пламени. Это был газ, пробившийся к поверхности сквозь раскаленную лаву. Тазиев пишет: «Все, кто наблюдал базальтовые извержения, видели огненные пузыри до метра в поперечнике, а те, кому приходилось видеть близко лавовое озеро, встречали горящие пузыри в десять раз больше».
На вулкане Эребус в Антарктиде Тазиев увидел вылетевший из кратера чудовищный горящий пузырь диаметром 200 метров. За ним последовала пылающая полусфера высотой с двенадцатиэтажный дом и площадью в футбольное поле. Какие это были газы – водород или метан? Поскольку в составе вулканического газа пары воды составляют до 98%, мы считаем, что главным первичным газом является водород. Второй по распространенности вторичный газ – углекислота, что указывает на присутствие глубинного метана.
На вулканах Гавайских островов в кратерных лавовых озерах иногда возникает «большое пламя» (large flame) высотой до 180 м. Вулканологи считают, что это горит водород. «Большое пламя» держится несколько суток, затем постепенно уменьшается и исчезает. Предполагается, что окисление водорода продолжается под поверхностью жидкой лавы. Процесс этот экзотермический, выделение тепла в глубине вулкана сопровождается плавлением базальта.
Подземные газовые трубы
Сейсмические профили от глубоководных желобов через камчатские вулканы Карымский, Жупановский, Кроноцкий, Безымянный показывают плотность распределения энергии очагов слабых землетрясений в зонах субдукции под этими вулканами. По нашему мнению, следует учитывать, что с глубины 10–15 км вся вода в зоне субдукции переходит в надкритическое состояние, отличающееся высокой химической активностью; следовательно, происходит активная гидратация мантийных минералов с образованием водорода. Водородогенез происходит за счет множества гидроксилсодержащих минералов – серпентина, брусита, талька, хлорита, амфиболов, а также при окислении железа силикатов с образованием магнетита.
Нужно накопить такую «критическую массу» водорода, чтобы его подъемная сила смогла продавить твердые породы и создать вертикальный канал.
Почему подъем флюида сопровождается землетрясениями? Очевидно, они связаны с давлением массы водорода, сверлящего в толще пород канал к жерловинам вулканов. Исходя из малой плотности водорода, подъемная сила кубического километра газа в мантии с плотностью 3,2 т/кубометр достигает миллиарда тонн и распределяется на малую площадь. То есть давление газа чудовищно велико.
Наблюдения показывают, что сейсмические очаги возникают не повсеместно, а формируют локальные «узлы» на определенных глубинах. Постепенно сейсмические «узлы» перемещаются вверх, к жерлам вулканов. Наблюдения за Ключевским вулканом показали, как сейсмические «узлы», то есть скопления газа, неоднократно перемещались с глубины 30 км вверх к жерлу с периодом от шести месяцев до одного года и сопровождались свечением (горением водорода) над кратером.
Поверхностные окислительные процессы связаны с горением водорода и метана на глубине 2–3 км и непосредственно в жерлах вулканов. Грандиозные вулканические взрывы, уходящие под облака огненные столбы, рев газовых потоков напоминают аварии мощных метановых скважин и принципиально от них не отличаются.
Кирпич Вселенной
Энергия водорода бессмысленно расходуется на выплавление огромного количества лавы – до 5 куб. км ежегодно. На это расходуется не менее 1000 куб. км водорода. Как использовать грандиозную планетарную энергию на пользу человечества?
Техническое решение проблемы видится в подключении к естественным газопроводам планеты путем бурения наклонных скважин под основание регулярно действующих вулканов. Задача газовиков будущего – создание «врезок» в естественные газопроводы планеты, перехват не успевшего еще окислиться до воды (водяного пара) мантийного газа, до того как он сгорит в жерле беснующегося вулкана. Откачка водорода позволит также усмирить вулканы, избежать трагедий населения, уничтожения городов и стран, расположенных, как Япония, на островных дугах.
Россия обладает уникальным опытом бурения сверхглубинных скважин. В СССР был установлен мировой рекорд бурения сверхглубокой скважины – более 12,2 км; он до сих пор не перекрыт. Бурение газовых скважин под основание вулканов не требует такой глубины, но все же техническое решение здесь непростое: требуется специальная легированная ниобиевая сталь из-за агрессивности глубинных газов, высокой температуры и высоких давлений. Глубина скважин может достигать 5–6 км.
Однако каждое извержение – это десятки и сотни миллиардов кубометров газа с преобладанием водорода, потенциальное сырье для водородных элементов, многие миллиарды киловатт-часов электроэнергии! Наиболее подходящими объектами являются вулканы Камчатки.
Постоянный отвод газов из-под дымящих вулканов предотвратит катастрофические извержения вулканов Европы и позволит спокойно жить в окрестностях Везувия и Этны, решит энергетические и экологические проблемы Японии и Камчатки. На базе газовых месторождений, скрытых под вулканами пустынных Курильских островов, вырастут заводы новейших технологий, производящие водородно-энергетические элементы. Огненные вулканические пояса Земли станут главными источниками энергии. Экологически опасные уран, уголь, нефть потеряют свое значение.
Россия обладает значительной частью планетарного пояса «огненных гор» на Камчатке и Курильских островах. Она тоже могла бы перейти на водородное топливо – за счет создания уникальной водороддобывающей промышленности. Для этого требуется ориентация вулканологов на изучение глубинных структур вулканов с целью их трехмерного картирования и выявления газопроводящих каналов.
Вулканы действуют на Земле миллиарды лет, они собирают водород из зон субдукции, к ним тянутся сквозь мантию «газопроводы», дренирующие ядро планеты, где хранятся огромные запасы космического водорода, основного строительного «кирпича» Вселенной. Успешное подключение к планетарным газовым трубам, где роль «терминалов» выполняют вулканические горы, приведет к небывалому энергетическому прорыву человечества. Сгорающие без пользы сотни миллиардов кубометров водорода вулканов станут основой экологически чистой грандиозной энергетики будущего.
