Физика и экология
Физика и
экология
Трухин В.И.,
Показеев К.В., Шрейдер А.А.
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. 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.
Гигантская
структура таких ячеек наблюдается на Солнце.
Вернемся к
упомянутому выше определению экологии, которое является , с одной стороны,
наиболее общим, а с другой - наиболее "физическим". Определим экологию
как науку об организации и эволюции биосферных систем разных уровней сложности
(в том числе всей биосферы), изучающую связи и превращения в таких системах.
Задача экологии заключается в установлении причин и условий возникновения и
развития биосферных систем различного уровня сложности, изучение устойчивости
этих систем. Экология в этом случае понимается как наука, изучающая процессы
самоорганизации и эволюции систем в живой и неживой природе, а особая роль
физики в изучении важнейших проблем экологии - хорошо видна.
Экология на
современной стадии своего развития является наукой, призванной объединить,
синтезировать совокупность научных знаний о биосфере. Этот процесс интеграции
может быть решен только на основе какого-либо общего начала. Полагаем, что
именно физика в силу сказанного выше должна выступить в качестве такого
объединяющего начала. Прогнозная функция экологии может быть выполнена только в
том случае, если она будет базироваться на фундаментальных принципах природы,
законах организации природы. Часть экологических проблем, изучаемых физикой,
может быть выделена в особую отрасль экологии - экологическую физику. Геофизика
(физика Земли), изучающая, в частности, физические процессы в литосфере,
гидросфере, атмосфере, по сути исследует физические процессы в биосфере или ее
частях. Необходимо указать, что большинство экологических факторов имеет
геофизическую природу. Геофизика, накопившая богатейший опыт исследования
закономерностей физических процессов, протекающих в оболочках Земли, на стыке которых
и формируются жизненно важные экосистемы, подверженные влиянию геоэволюционного
и катастрофически возрастающего антропогенного факторов, может взять на себя
решение ряда экологических проблем.
Широкий спектр
физических методов изучения вещества должен найти применение в создании
эффективных средств мониторинга экосистем различного уровня. Очевидно, что
глобальные методы мониторинга могут быть созданы только на основе физических
принципов.
Опыт разработки
физико-математических моделей природных процессов также может быть полезным в
исследовании влияния антропогенных воздействий на функционирование экосистем.
Все перечисленные направления могут быть отнесены к сфере интересов новой
науки, развивающейся на стыке физики и экологии - экологической физики. Содержание
этого нового направления еще четко не определено и находится в стадии
становления, о чем свидетельствуют материалы двух Всероссийских конференций
"Физические проблемы экологии", проведенные в 1997 и 1999 годах на
физическом факультете МГУ.
Список литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ecolife.ru/