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/