Физика и экология

Для многих эти понятия - физика и экология - кажутся несовместимыми. Ведь физика, внедрение ее результатов в промышленность представляются как один из главнейших источников загрязнения окружающей среды. И действительно, атомная промышленность, энергетика, другие отрасли, широко использующие достижения физики, дают немало примеров отрицательного воздействия на окружающую среду.

Но физика имеет к экологии и другое, наполненное положительным содержанием , отношение. Об этом и поговорим. Существуют различные толкования термина "экология". Согласно классическому определению, экология как самостоятельная наука относится к наукам биологическим, да и сам термин "экология" был предложен немецким биологом-эволюционистом Э. Геккелем. Наряду с таким "биологическим" пониманием экологии в современном обществе существует понятие "экология" как представление об уровне техногенного загрязнения окружающей среды, представление об экологии как науке, занимающейся изучением антропогенного воздействия на окружающую среду и разработкой методов уменьшения этого воздействия.

Такие представления не являются научными, но именно они наиболее широко распространены в обществе, а также среди ученых, занимающихся прикладными исследованиями. Новое понимание экологии возникло на основе теории систем, термодинамики открытых систем и является наиболее "физическим". Это понимание экологии восходит к работам А.А. Богданова, В.И. Вернадского. Богданов еще в начале XX века высказал мысль о том, что законы организации должны действовать не только в живой, но и неживой природе. Наличие структур, организованность - это важнейшие черты природы. Вернадский, развивая учение о биосфере и ноосфере, использовал понятие организованности как важнейшего свойства материальных и энергетических частей биосферы. И считал, что антропогенное воздействие может стать более мощным геологическим и геохимическим фактором, чем все природные процессы вместе взятые. Согласно В.Г. Горшкову, при полном нарушении скоррелированного взаимодействия видов в естественных сообществах биоты окружающая среда может полностью (на 100%) исказиться за десятки лет. Если же вся биота будет уничтожена, то искажение окружающей среды на 100% за счет геофизических процессов произойдет только за сотни тысяч лет.

Начиная по крайней мере с XX столетия биота суши перестала поглощать избыток углерода из атмосферы. Наоборот, она стала выбрасывать углерод в атмосферу, увеличивая загрязнение окружающей среды, производимое промышленными предприятиями. Это означает, что структура естественной биоты суши нарушена в глобальных масштабах offshore company incorporation. Что касается всей биосферы, можно констатировать, что ее современное частично загрязненное состояние обратимо, она может вернуться в прежнее устойчивое состояние при сокращении антропогенного загрязнения на порядок величины. Другого устойчивого состояния биосферы не существует, и при сохранении или ускорении темпов возмущения биосферы устойчивость окружающей среды будет разрушена. Отсюда следует, что ноосфера (сфера разума) как экологическая ниша устойчивого существования и развития цивилизованного человека при наличии экономико-технологической деятельности возможна только при сохранении достаточного количества биоты на большой территории планеты. Таким образом, главное природное противостояние, связанное с существованием и развитием жизни на Земле, осуществляется между геофизическими процессами, возмущающими биосферу, и биотой, компенсирующей эти возмущения. Отсюда ясна роль фундаментальных исследований в области экологической геофизики и физики вообще.

Глубокое изучение проблем экологической геофизики расширит возможности поисков выхода из экологического кризиса, обусловленного неконтролируемым антропогенным воздействием на окружающую среду. В связи с исследованием термодинамики открытых систем и изучением процессов самоорганизации в неравновесных системах стали понятными физические причины самоорганизации в живой и неживой природе. Элементы или системы живой и неживой природы являются открытыми термодинамическими системами, далекими от состояния равновесия. Их пронизывают потоки энергии и вещества, и поэтому в них и происходят процессы структуризации, самоорганизации. Таким образом, самоорганизация систем в природе базируется на фундаментальных физических принципах. И.Р. Пригожин, лауреат Нобелевской премии по химии, назвал упорядоченные образования, которые возникают в ходе неравновесных процессов, диссипативными структурами. Диссипативные структуры возникают в результате развития собственных внутренних процессов системы. При этом происходит обмен системы энергией и веществом с окружающей средой, что обеспечивает состояние динамического равновесия (баланса потоков), несмотря на внутренние потери в системе. В этом их отличие от упорядоченных структур, возникновение которых обусловлено внешними воздействиями. Системы океанических течений, циркуляция в атмосфере являются яркими и хорошо известными примерами диссипативных структур, существующих на планете. Земля является открытой системой. Основной поток энергии поступает от Солнца. В процессе фотосинтеза и последующих преобразований эта энергия трансформируется в другие формы. Приходящее тепло уравновешивается тепловым излучением Земли.

Классическим примером диссипативных структур являются циркуляционные ячейки Бенара. Представьте: жидкость, налитая в широкий плоский сосуд, подогревается снизу; после того как градиент температуры жидкости превысит некоторое критическое значение, вся жидкость в сосуде разбивается на систему сотообразных циркуляционных ячеек; в центральной части ячейки жидкость поднимается, а в пограничных боковых гранях - опускается, в поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном - наоборот. В зависимости от знака температурной зависимости коэффициента молекулярной вязкости от температуры направление движения в ячейках изменяется на обратное. Возникновение циркуляционных ячеек обеспечивает передачу большего теплового потока в жидкости по сравнению с тепловым потоком, который передавался только за счет молекулярной теплопроводности.

• ‹ Пред. материал
• 395 из 517
• След. материал ›