Привет, Хабр! Мы продолжаем наш цикл рассказов о топливе, на этот раз посвящаем рассказ углю, его происхождению и влиянию на нашу цивилизацию.

Этот материал —  перевод оригинального текста норвежского геолога-энтузиаста Карстена Эйга, в котором автор постарался ёмко, но подробно раскрыть сочетание природных и исторических факторов в развитии угля как источника топлива.

Приятного чтения :)

Прогресс на всех парах

До XVIII века все на свете было натуральным, кустарным и рукодельным – за неимением иных вариантов. Ткачи шили полотна, кузнецы ковали инструменты и гвозди, крестьяне ходили за плугом.

Тем не менее, мир не стоял на месте. Вспомните, как принято представлять эпоху викингов, высокое Средневековье, Ренессанс и начало XVIII века. Четко прослеживаются большие достижения в строительстве, кораблестроении, оружейном деле и практической агрономии. В Средневековье человек обуздал силу воды и ветра, запитав ими свои мельницы, лесопилки и водокачки. Но все оборудование по-прежнему требовалось изготавливать вручную, транспортировать на себе, на вьючных животных или под парусом – как и за тысячелетия до того. На море корабль сдавался на милость Эолу – пока все не изменилось с появлением паровой машины.

Уже в 1712 году Томас Ньюкомен  сконструировал первый паровой двигатель для откачки воды из шахт. Но для работы этой модели требовалось, чтобы вода закипала и снова остывала в цилиндре на каждом ходу насоса. Машина работала медленно и ненасытно жрала уголь.

Настоящий прорыв удалось совершить благодаря человеку, чья фамилия более какой-либо иной ассоциируется с промышленной революцией: это был шотландский инженер Джеймс Уатт. Он создал первый привычный нам паровой двигатель: в нем вода разогревается до состояния пара, поступает в цилиндр через клапана, толкает поршень, выходит через другой клапан и затем отдельно конденсируется. Так удалось обеспечить постоянное поступление пара в поршневую камеру, поэтому машина работала гораздо быстрее, чем более ранние модели и экономила топливо. Уатт оснастил машину валом и маховиком, благодаря чему движение поршня «вперед-назад» удалось преобразовать в круговое. Остальное – уже история.

Паровой двигатель в буквальном смысле стал локомотивом промышленной революции. Он разгонял все более тяжелые и быстрые машины, позволяя быстрее и увереннее преодолевать расстояния на суше и на море. Первый надежный паровоз “Ракета” у наших современников мог бы вызвать улыбку. Максимальная скорость, которую он развивал, составляла 45 км/ч. Но в 1829 году «Ракета» произвела революцию. Паровоз работал при любой погоде, независимо от ветра.

Богатства туманного Альбиона

Историки посвятили этой теме целые фолианты, и было бы тщетно пытаться беспристрастно рассмотреть ее в единственном посте для блога. Тем более, что я – не историк и не экономист.

Но, в целом, историки сходятся во мнении, что революция произошла именно в Англии по причине благоприятных политических обстоятельств, складывавшихся со времен принятия Великой Хартии Вольностей в 1215 году. Этот документ предоставлял дворянам и клирикам некоторые права на честный суд и закреплял принцип «нет налогам без представительства» - что красной нитью проходит через развитие всех общественных институтов, известных сегодня: парламента, независимого суда и верховенства права.

Эта нить вилась долго, медленно, путано и зачастую жестоко – между королем и баронами порой вспыхивали настоящие гражданские войны. Но к XVIII веку эти общественные институты вполне устоялись. Это была, естественно, еще не демократия в современном понимании. Но королевскую власть удалось ограничить, закон содержал предписания для лендлордов и дельцов – а также закреплял за ними право собственности.

Право собственности – ключевой фактор экономического развития. Одно дело – изобрести паровую машину, но для обустройства фабрик уже требуются инвестиции. Никто не захочет вкладываться, если есть риск потерять средства из-за каприза короля или лорда. Так в Англии был заложен фундамент промышленной революции.

Что приводит нас к другим ее фундаментальным составляющим. Нужно железо, чтобы изготавливать машины, уголь, чтобы питать их, а также другие металлы для специализированных запчастей. В Соединенном Королевстве все это нашлось.

Железная руда и уголь в Европе вполне обычны, но распределены они неравномерно. В Норвегии и Швеции железа очень много, а угля почти нет, тем более, что в описываемые времена скандинавские монархии были автаркиями. Ни в Дании, ни в Норвегии было невозможно даже бар открыть, не имея на то монаршей патентной грамоты.

Во Франции не было недостатка ни в угле, ни в железе, но страна застряла в старорежимных порядках  (L’Ancien Regime), когда в Версале всем заправляли взбалмошные короли, а в экономике царил меркантилизм. 

Промышленная революция требовала как природных ресурсов, так и институциональной поддержки. В Англии нашлось и то, и другое. Поэтому давайте рассмотрим, где и когда в Англии образовался уголь: поговорим о промышленной революции в геологическом аспекте. Где залегают уголь, железная руда и цветные металлы – и почему именно там?

Начнем с угля, поскольку с ним ситуация наиболее понятна. Давным-давно углем была покрыта большая часть Великобритании и всей Европы. На самом деле, большая часть мира представляла собой «фабрику угля», поскольку суша была покрыта болотами и лесами. Речь идет о временах с 330 по 300 миллионов лет назад, то есть, о заключительной части того геологического периода, который неслучайно был назван Карбоном.

Однажды в Карбоне

Точно не известно, когда именно растения вышли на сушу, но судя по первым ископаемым спорам, это произошло в среднем Ордовике, около 470 миллионов лет назад. Известно это в основном по спорам, а первые растения того времени напоминали печеночные мхи. То есть, не имели ни корневой, ни проводящей ткани, поэтому могли обитать только в воде или очень влажной среде, поскольку никаким образом не могли прокачивать воду по стеблю и отросткам.

Только в среднем Силуре, то есть, около 430 миллионов лет назад появились первые настоящие сосудистые растения – у которых в стебле и ветках имелись трубочки для прокачки воды. Куксония имела от нескольких миллиметров до сантиметров в длину и, в принципе, походила на ветвистый стебелек, а на кончике каждого ее отростка имелся колпачок со спорами.

На протяжении всего оставшегося Силура и последовавшего за ним Девона растения широко расселились по Земле, устроив на ней настоящий ботанический всепланетный опен-эйр.

Растения обзавелись лигнином – прочным соединением, которое превращается в целлюлозу и позволяет стеблю идти в рост. Первые тонкие стебли, которые в течение Девона стали потолще, вымахали в полную силу к началу Карбона.

Рост стеблей и стволов сопровождался одновременным развитием корневых систем. Первые растения корней, в сущности, не имели, и поэтому не могли стоять. В течение Девона корни все сильнее углублялись в грунт, что придало растениям устойчивости и позволило им тянуться к небу.

В начале Девона, около 410 миллионов лет назад, растения также развили еще одну важнейшую фичу: листья. Первые листья были крошечными, всего в один-два миллиметра. Так было на протяжении всего Девона. Как ни парадоксально, причина такой миниатюрности заключалась в самой функции листьев. 

Листья улавливают солнечный свет и тепло, выделяют в атмосферу углекислый газ, водяной пар и кислород; все это поддерживает процесс фотосинтеза. Но в Девоне было очень жарко, поэтому большие листья могли нахватать так много тепла, что растение от этого бы попросту погибло. В девонской атмосфере было около 0,002% CO₂, в пять раз больше, чем сегодня, поэтому и извлекать CO₂ из атмосферы растения вполне могли без больших листьев.

Но, осуществляя фотосинтез, растения также подготовили себе почву и атмосферу, чтобы стать крупнее. Они медленно выводили CO₂ из атмосферы, в земле формировались залежи углерода, поначалу бывшие останками растений – это и был первый уголь. Выводя CO₂ из атмосферы, растения ослабляли парниковый эффект, разгоняя эволюцию как снежный ком: листья становились больше, стволы – выше, и вся эта биомасса изымала CO₂ из атмосферы, постепенно остужая Землю. Из-за чего, в свою очередь, листья становились еще выше, а стебли, которые их несли – выше и толще.

Карбон был влажным периодом, значительная часть суши была заболочена. Умирая, деревья погребались в этих болотах и постепенно слеживались, превращаясь в уголь, а поверх них накапливались все новые и новые слои.

Любопытно, что стоило Земле покрыться пышными деревьями – и парниковый эффект ослаб настолько, что начался ледниковый период. Именно Карбон – последний период в истории Земли (до современности), когда у нашей планеты были полярные шапки. 

Уголь в изобилии встречается по всему земному шару. Большая часть угля сосредоточена именно в породах Карбона. Первые геологи, искавшие пригодные для разработки угольные пласты, быстро заметили закономерность: в основном уголь залегает в породах прослойками, между которыми – определенный интервал. Эти геологи не знали эволюционной предыстории угля, но знание об этой закономерности серьезно помогло в поисках топлива для промышленной революции.

Разумеется, уголь встречается и в более молодых породах, поскольку деревья по сей день продолжают расти на болотах. На Шпицбергене, норвежском архипелаге на Крайнем Севере, в шахтах под городом Пирамида добывают уголь времен Карбона, но уголь из шахт под Лонгйиром и Баренцбургом гораздо моложе – палеоценовый, ему около 60 миллионов лет. Он сформировался во времена, когда Шпицберген располагался намного южнее, и климат там был гораздо теплее.

Но такой уголь происходит из лесов и болот локального или регионального характера. Никогда со времен Карбона не было периода, в который такие мощные залежи угля формировались бы почти повсюду на Земле.

На следующей карте показано, что британские месторождения угля сконцентрированы в нескольких явно очерченных регионах: Среднешотландская низменность, север и юг Уэльса, а также широкий пояс, протянувшийся от северо-восточного побережья Йоркшира, проходящий через Мидленд и охватывающий Пик-Дистрикт и доходящий до Бирмингема. Почти все шахты расположены узкими полосами друг за другом, как будто бы их специально располагали «своя шахта каждому из семи гномов».

Как угольные пласты приобрели такой рисунок? История начинается задолго до появления самих угольных пластов, в раннем Девоне, около 410 миллионов лет назад. Тогда нынешняя северо-западная часть Европы столкнулась с Гренландией и Северной Америкой, и возникла горная цепь, которая, возможно, была сопоставима по высоте с Гималаями. Этот хребет был назван Каледонскими горами, в честь древнего наименования Шотландии. Эти горы простирались от Шпицбергена на севере и далее через Норвегию, через еще не открывшееся Северное море и через Шотландию. Норвежские и шотландские горы – вероятно, последние остатки того хребта.

Горам, которые когда-то росли вверх, суждено оказаться на глубине. Каледонские горы обрушились под собственным весом, и этот коллапс происходил вдоль больших зон разлома. Одним из важнейших таких разломов называется Северо-Шотландским, он протянулся по северному краю Мидленда. Мидленд – это грабен, сформировавшийся между вершинами Каледонских гор. Сначала Мидленд был заполнен осадочными породами, осыпавшимися с гор в процессе эрозии. Далее стали накапливаться осадочные породы Карбона, заработали вулканы, а в конце Карбона сформировались залежи угля. Но к северу и югу от Мидленда никаких залежей угля не сформировались, поскольку в Карбоне эти районы оставались высокогорными.

Англия находилась южнее Каледонских гор. Видимо, в конце Карбона углем были покрыты значительные территории Англии, но не сплошным одеялом, а в чересполосицу, благодаря старой доброй тектонике.

Карбон был тем периодом, когда континенты по-настоящему стали концентрироваться в суперконтинент Пангея, что переводится с греческого «вся Земля», когда практически вся суша представляла собой единый конгломерат. Пангея была похожа на паззл из множества деталей, которые собирались в общую картинку на протяжении как минимум ста пятидесяти миллионов лет, в течение всего Девона и вплоть до середины Перми. К концу Карбона, 300 миллионов лет назад, несколько мелких континентальных фрагментов окончательно достроили нынешний юг Европы.

Из-за этих столкновений по Европе протянулся горный пояс, проходивший из южной части Англии через Германию и далее в Восточную Европу. Эти горы называются Герцинской складчатостью – в честь древнего латинского названия немецких гор Гарц. В результате Англия получила увесистый пинок под зад, из-за чего вздыбилось множество невысоких гор. Уголь сохранился только в низменностях между ними.

Тем не менее, его было более чем достаточно на подпитку промышленной революции и на то, чтобы обогревать Британию в течение последующих двух веков. Цена прогресса оказалась высока. Дети работали в шахтах в ужасных условиях. Только в 1842 году вышел Закон о шахтах, запрещавший работать под землей женщинам и мальчикам в возрасте до 10 лет. Города были в саже от заводских труб. Лондон то и дело задыхался от смога от многочисленных печей и каминов. Смог был нежеланным гостем Лондона и регулярно накрывал город до 1960-х, когда уголь заменили более чистым топливом, газом.

Британские шахты (включая ирландские) вышли на максимум производства в 1913 году, когда было добыто 287 миллионов тонн угля. Занятость в отрасли достигла пика в 1921 году, когда на угольных шахтах работало 1,25 миллиона британцев. Затем, в течение XX века, газ, нефть и ядерная энергия в основном заместили в Великобритании уголь. Сегодня британские шахты дают около 8 миллионов тонн угля в год, а в отрасли занято всего две тысячи человек. Последняя подземная штольня закрыта в 2015 году, остались лишь немногочисленные открытые карьеры.

И, все-таки мы до сих пор во многом обязаны нашим благосостоянием тому изобретению, к которому давным-давно пришла эволюция: когда растения приобрели лигнин и стали обзаводиться прочными стволами. И тому, как растениям удалось высосать из атмосферы углерод и захоронить его. По геологическим меркам это произошло почти мгновенно.