1. A fenntartható rendszerek működése

„Senki sem fogja megvédeni azt, ami nem érdekli, és senkit sem fog érdekelni az, amiről soha semmi tapasztalatot nem szerzett.”

(David Attenborough)

 

A fenntartható fejlődés #

A fenntartható fejlődés tudományterületek közötti együttműködést, rendszerszemléletet kíván meg – ez a mondat akár közhely is lehetne, azonban a fejezet hátralévő részében nagy teret szentelek annak, hogy ne váljon azzá. A tudományterületek közötti átjárás szükségességét ismerte fel többek között Jared Diamond biológus, aki Összeomlás című könyvét annak szentelte, hogy bemutassa, milyen tényezők játszottak közre korábbi civilizációk bukásában, és hogy ezek között mekkora szerepe van a környezetpusztításnak (v.ö. 1. ábra).

 

1. ábra. Az emberi jelenség fogyasztásban megnyilvánuló hatásai. A panelek sorban balról jobbra: népesség; CO2-kibocsátás; édesvíz-használat; műtrágyahasználat; tengeri halászat; kivágott trópusi őserdő.

 

Az emberiség feladata, hogy megőrizze a természetes rendszerek működőképességét, mert azok megfelelő állapota ad keretet a társadalmi rendszer működésének folytonosságához. Azonban az eddig járt civilizációs pálya „kizöldítése” nem elegendő, a természet vonatkozó törvényeinek megértése egy egészen újszerű forgatókönyvet vetít előre. Talán meglepő, hogy mit keres ez a gondolatmenet egy átfogó írás elején, azonban be fogom mutatni, hogy a világ rendezettsége és ennek megértése segít hozzá minket ahhoz, hogy lefektethessük a fenntarthatóság alapvető ismérvét.

 

Evolúció #

Azok a fajok indulnak előnnyel a törzsfejlődés versenyében, melyek a lehető leggyorsabban és leghatékonyabban használják fel és alakítják át mindazt az energiát, ami rendelkezésükre áll. Ez egyszerűen fogalmazva a maximális teljesítmény elve. Azt jelenti, hogy két rendszer közül az a versenyképesebb, amely ugyanazt az energiát rövidebb idő alatt éli fel és alakítja át belső rendszerének építéséhez. Ez a törzsfejlődés hajtóereje a Földön.

 

 

Entrópia #

A hagyományos felfogásban a hőtan második főtétele azt mondja ki, hogy világunkban a rendezetlenséget mérő mennyiség, az entrópia folyton növekszik (miközben a hasznos energia fogy), és nincs olyan folyamat, melyben energia bevitele nélkül csökkenne.

2. ábra. Az entrópia (itt pongyolán a rendezetlenség mértéke) növekedése úgy is elképzelhető, hogy a rendezett állapot egyre rendezetlenebb.

 

Természetesen, ha energiát adunk kívülről egy rendszerhez, az rendezettebbé tehető, de energiabefektetés árán. Ilyen például a takarítás.

 

 

Az entrópia növekedése azt eredményezi, hogy a világban minden munkavégzésre alkalmas energiakülönbség (szakszóval exergia) eltűnik, és a hőmérséklet, a nyomás (és minden úgynevezett intenzív mennyiség) kiegyenlítődik. Onnantól a világ már nem változik, entrópiája eléri a maximumot. Ez az ún. hőhalál-elmélet. (Azóta ezt az elméletet meghaladták, de ez most számunkra érdektelen.)

 

 

 

A füst miért nem megy soha vissza a cigarettába? Vajon a molekulák miért távolodnak egymástól? Miért ömlik ki a tinta, vissza meg soha? Mivel a világegyetem a pusztulás irányába halad.
(Idézet a Mr. Nobody c. filmből)

 

 

 

 

Entrópia és az élővilág #

Az entrópia növekedése azonban nemcsak úgy történik, hogy a fizikai folyamatok növelik az entrópiát, hanem úgy is, hogy a természet olyan rendszereket hoz létre, melyek a fizikai világnál gyorsabban képesek növelni az entrópiát: az élővilág rendszereit. A törzsfejlődés folyamatai a következő példán keresztül válnak érthetővé. Az energia rendezett formában érkezik a Földre, napsugarak hordozzák. A sugárzó energia a rövid hullámhosszúságú, nagy energiájú tartományban érkezik, legvalószínűbb hőmérséklete 6000 K. A Föld felmelegszik tőle, de csak 300 K körüli hőmérsékletre, és ezt sugározza vissza az űrbe. Azaz a nagyobb energiájú rövidhullámú sugárzás a kisebb energiájú, hosszúhullámú sugárzássá alakul át. Ez azt is jelenti, hogy a Napból kis rendezetlenségű (entrópiájú) sugárzás érkezik, s a Földről nagyobb rendezetlenségű (entrópiájú) sugárzás távozik (3. ábra).

 

 

3. ábra. A Nap → Föld → világűr energia és entrópiaátalakító rendszer. A bioszféra növeli az entrópiát a látható tartományba eső fotonok (T= 5800 K hőmérsékletű fekete test sugárzása) infravörös fotonokká (fekete test sugárzás T= 280 K) történő cseréje során. Bár a fotonok által hordozott energia a két esetben összességében azonos, a látható fotonok kevesebb szabadsági fokkal rendelkeznek, mint infravörös társaik, ami azt is jelenti, hogy az előbbiek „rendezettebbek”, az energia kevesebb lehetőség mentén oszlik szét, mint az infravörös fotonok esetén. Ez a folyamat magyarázza a rejtélyes a földi ökoszisztéma összetettségét, amely látszólag dacol a termodinamika 2. főtételével.

 

Entrópia és az ökológiai rendszerek #

 

 

A sugárzás entrópiájának növekedése lehetővé teszi, hogy a Földön energia nyelődjön el, ebből táplálkozva pedig növekedjen a komplexitás, azaz az összetettség növekedésének irányába mutató folyamatok történjenek, tehát bonyolultabb rendszerek is kialakuljanak a kőzetfelszínnél, például olyanok mint amilyen az élet. Az élet kialakulása ebből a szempontból nézve éppen azért történt, hogy ne csak a talaj felmelegedése alakítsa át a rendezett napsugárzást rendezetlenné, hanem az élővilág is beszálljon a versenybe. Az élővilágban először növények, majd növényevők, majd ragadozók köre épül ugyanarra az energiára, azaz több és több körben aprózódik, oszlik, válik rendezetlenné az energia. Minden egyes ugrás az ökológiai rendszer történetében egy-egy előrelépés a gyorsabb energiaátalakítás, és gyorsabb entrópianövelés felé. Egyetemes törvényként fogalmazható meg: azok a fajok fejlődtek gyorsabban, melyek hatékonyabban tudták növelni a rendezetlenséget a napsugárzásból vett energiában, akár közvetve, akár közvetlenül jutottak hozzá. Hiszen a növény megköti a fénysugárzást, majd amikor rothad, hővé alakítja, növeli a sugárzás rendezetlenségét. De ha megeszi egy növényevő, akkor az elraktározott energia a növényevőt fűti és kelt ezáltal hősugárzást, ami gyorsabb energia-disszipáció. Arról nem is beszélve, hogy a növényevők serkentik a növények növekedését is. A ragadozók között is vannak csúcsragadozók, és végül itt az ember is, akinek értelme még jobban segít begyűjteni mindenhonnét az elraktározott energiát. Ösztönei azonban arra vezetik, hogy ezt minél gyorsabban tegye, hisz korábban is a faj túlélése múlt azon, milyen gyorsan használja a faj az elérhető energiát. És ehhez ma már rendelkezésére állnak a tudomány vívmányai és az eleddig szinte bármilyen mértékben hozzáférhető energiaforrások: a fosszilis források.

 

 

 

Mikor rádöbbenünk ökoszisztéma-pusztításunk és az emberi élethez szükséges erőforrások telhetetlen fogyasztásának esztelen voltára, készek leszünk megváltoztatni viselkedésünket, és elindulunk a fenntarthatóság útján.

(John Gowdy, ökológiai közgazdász)

Entrópia a világűrben #

Azonban van egy jelentős különbség az emberi társadalom entrópia-növelése és a természetes rendszer entrópia-növelése között. A természetes rendszer a megnövekedett entrópiát végső soron hő formájában a világűrbe sugározza. Mivel a kisugárzott hő a környezet esetén 300 K alatti, de a melegvérű élőlények esetében sem haladja meg a 310 K-t, alacsonyabb hőmérsékletű marad, mint a bejövő sugárzás (6000 K) és így magasabb entrópiájú. Összességében a Föld felszíne a növényzetnek köszönhetően kevésbé melegszik fel, így alacsonyabb hőmérsékletű sugárzást bocsát ki a világűrbe, mint a puszta kőzetfelszín, és lényegesen alacsonyabbat, mint a bejövő napsugárzás entrópiája.

Ez az alacsonyabb hőmérsékletű sugárzás miatti entrópiatöbblet a világűrbe jut. A természet működése szempontjából a Föld zárt rendszer, anyag nem jut ki és nem jut be, csak energia (a sugárzással)¹. Így a természet a világűrbe „szemetel”, komplexitását ezen az áron tartja fenn és növeli. Ezzel ellentétben a társadalom működése a Földön nyílt rendszer, a működés energiát és anyagot von el a természettől és anyaghulladékot juttat oda – tehát a társadalmi rendszer ugyanoda szemetel, ahonnan erőforrásait és energiáját veszi.  Ezzel elindul egy kedvezőtlen folyamat, a Föld, mint rendszer entrópiája többé nem csökken, hanem nő, azaz a természetes komplexitás csökken, és ezen az áron nő az emberi rendszerek összetettsége. Egy egyszerű és érthető hasonlattal élve: az ember, életműködése fenntartásához tápanyagot, vizet és oxigént vesz fel a környezetéből és testének hőmérséklete miatt hőt, és anyagcseréje révén anyagcsere-végtermékeket juttat vissza a külső környezetbe, ha ezt nem tehetné, azaz belső forrásaiból kellene fedeznie energia-, víz- és oxigénigényét, akkor saját tartalékaival oxigénből 1-2 percig, vízből 1-2 napig, energiából 1 hétig lenne erre képes, eközben biológiai metabolizmusa sérülne, majd a test, mint rendszer összetettsége elkezdene csökkenni. A társadalom is pontosan így működik, nem tőle független forrás tartja működésben, mert a természet részeként a nyersanyagokat a természetből veszi és a hulladékot oda juttatja vissza, így tulajdonképpen saját működését teszi tönkre.

 

Eljuthatunk tehát odáig, hogy  kettős problémával állunk szemben: az anyag átalakítása és felhasználása a Földön termel  hulladékot – a hulladék termelődése pedig összességében növeli az entrópiát –, továbbá az ehhez használt energia is földi eredetű, azaz nem külső², hanem olyan energia, amelynek átalakítása a földi rendszer entrópiáját növeli. Ezen okok miatt a természetes alrendszer pusztulása az ilyen működés során csak idő kérdése.

 

 

---

Lábjegyzetek:

¹Első közelítés. Anyag kis mennyiségben bejut a Föld rendszerébe és ki is jut onnan, de ez most elhanyagolható.

²Abban az értelemben, hogy fosszilis, és nem megújuló. A megújuló források túlnyomó része külső, azaz Nap-vezérelt, kivétel a geotermikus és az árapály energia.

³Illetve megújulnak, de ennek időskálája jóval lassabb, mint a kitermelés.

⁴ Kairosz, Bp. több kiadás