Валерий Савченко - Начала современного естествознания: концепции и принципы

• Название: Начала современного естествознания: концепции и принципы
• Автор: Валерий Савченко
• Издательство: «Феникс»
• Жанр: Философия
• Год: 2006
• ISBN: 5-222-09157-0

В данном пособии самым подробным образом рассмотрены основные естественноисторические этапы становления и развития науки, вопросы философии науки и естествознания, фундаментальные концепции, принципы и положения классического механистического и термодинамического, неклассического полевого и квантово-полевого и постнеклассического эволюционно-синергетического и диссипативно-структурного естествознания. Рассмотрены вопросы связи математики и отражаемой ей естественнонаучной реальности мира. В конце каждой главы и некоторых наиболее сложных параграфов даны резюме, предложены вопросы для обсуждения. Дано около 400 тем рефератов и свыше 400 тестовых вопросов для контроля усвоения и аттестации теоретического материала пособия.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения гуманитарных и социально-экономических специальностей вузов, а также для обучающихся по дистанционным технологиям. Пособие может быть полезно преподавателям данной учебной дисциплины и широкому кругу лиц других специальностей и профессий, в том числе, студентам естественнонаучных и инженерно-технических специальностей, всем, интересующимся вопросами истории, становления и развития классического, неклассического и постнеклассическтого естествознания, а также проблемами естествознания новейшего времени и его ролью в развитии науки и культуры.

---

Возникает впечатление, что по мере роста общественного сознания и общественного богатства можно будет все технологии сделать «чистыми» и спасти окружающую среду. Однако это не так. Чистые технологии требуют не только больше денег, они требуют также больше энергии. Потребность в энергии не зависит от воли человека и уровня организации производства — она определяется законами природы. Повышение экологической чистоты производства энергии требует дополнительного ее расхода «на собственные нужды», понижает эффективный КПД энергетического предприятия и, таким образом, неминуемо увеличивает то загрязнение, от которого невозможно избавиться — тепловое. За совершенство структуры надо платить ростом диссипации, снижением качества энергии, ростом количества рассеянного тепла, которое может привести к перегреву окружающей среды. Законы термодинамики неумолимы.

Часто видят выход в использовании так называемых альтернативных источников энергии. К ним относят энергию ветра, волн, приливов, тепловую энергию океанической воды и земных недр (геотермальную), солнечное излучение. Иногда и ядерную энергию, но ее уже чаще считают одним из традиционных источников. Из перечисленных видов энергии геотермальная черпается из запасов тепла в недрах Земли, энергия приливов — из кинетической энергии вращения Земли, в обоих случаях тепло добавляется в географическую оболочку так же, как и при сжигании ископаемого химического или ядерного топлива. Преимущество лишь в отсутствии химических и радиоактивных отходов (хотя в геотермальной энергетике на поверхность выводятся высокоминерализованные термальные воды, основательно загрязняющие окружающую среду если не принимать специальных мер). Остальные виды энергии имеют источником солнечное излучение, приходящее на Землю, и дополнительного тепла в географическую оболочку не вносят.

Все эти источники используются уже сейчас, но только в опытном порядке и в так называемой малой энергетике, то есть как автономные источники энергии малой мощности, работающие в особых условиях (на таежной метеостанции, космическом корабле и т. д.). Заменить традиционные источники в большой энергетике они пока не могут и, по-видимому, не смогут никогда. Их главные недостатки — неравомерность поступления и очень низкая плотность потока энергии при низком ее качестве. Неравномерность поступления требует использования аккумулирующих систем огромной емкости. Низкая плотность потока и низкое качество энергии приводит к очень большим размерам и материалоемкости энергетических станций и низкому КПД. Такие станции занимают большие площади, а их строительство требует создание целой индустрии, которая также наносит вред природе.

Хороший пример производства «чистой» и «даровой» энергии (так считалось, когда они строились) — это наши гидростанции на Волге. Никаких вредных выбросов, вечный, даровой, возобновляемый источник энергии вложил деньги (хотя и большие), построил, а потом стриги, в этом убеждали себя и народ строители. Теперь ясно, что затопление и подтопление сельскохозяйственных землель, уменьшение во много раз стада осетровых рыб и ряд других негативных последствий принесли убытки, во много раз превосходящие стоимость всей электроэнергии. Потеря высокопродуктивных пойменных земель потребовала освоения под сельское хозяйство новых территорий и, соответственно, дальнейшего сокращения сбалансированных биоценозов. Цепочку неблагоприятных следствий можно тянуть очень далеко.

Но воздействие человека на биосферу не ограничивается прямыми загрязнениями, оно гораздо сложнее.

Мы говорили, что биосфера представляет собой целостную сбалансированную саморегулирующуюся систему. Эта система поддерживает стабильные условия своего существования, сглаживая, демпфируя все неблагоприятные внешние воздействия, нарушающие стабильность. Для этого необходимо, чтобы способность биосферы к компенсации неблагоприятных воздействий превосходила максимально возможную их интенсивность. Что для этого нужно?

Биосфера потребляет разнообразные химические вещества на строительство своих организмов и возвращает их обратно при разложении этих организмов. Этот круговорот лучше всего проиллюстрировать на примере основного элемента жизни — углерода. Баланс его может быть подсчитан. Ежегодно поступает в биосферу и изымается из нее 1011 тонн. Баланс сходится с точностью 10-4. Кроме того, в результате геологических процессов в биосферу поступает ежегодно дополнительно 107 тонн неорганического углерода. Как показывает изучение состава пузырьков воздуха, захороненных в кернах полярных ледников, содержание СО2 в атмосфере было неизменным последние 10 тысяч лет, а запас органического углерода, накопленный в захороненном виде в биосфере, соответствует его дополнительному притоку из глубин Земли за 100 тысяч лет. То есть биосфера (точнее, биота — сбалансированная совокупность организмов, способная компенсировать нарушения баланса в биосфере — домашние животные и культурные растения не отвечают этому условию) с высокой точностью и надежностью компенсировала этот поток и его случайные флуктуации, поддерживая состав атмосферы. (Кстати, поддерживается и содержание кислорода, который изымается геохимическими процессами).

Эта компенсация осуществляется за счет отрицательных обратных связей в соответствии с принципом Ле Шателье, а надежность обеспечивается большой избыточностью: поток вещества, участвующий в круговороте, в 10000 раз превышает средний поток углерода, поступающий за счет геологических процессов. Также избыточен и круговорот кислорода и других химических веществ. Мы уже говорили, что такая большая избыточность нужна для быстрой компенсации ударных разрушительных воздействий на биосферу, прежде чем они смогут привести к вымиранию слишком многих видов и нарушению сбалансированности биоты.

Нормально функционирующая биота должна увеличивать потребление и перевод в неактивную форму СО2 при увеличении его концентрации в атмосфере за счет любых процессов, в частности и за счет сжигания человеком горючих ископаемых. Так и было до начала нашего века, когда человек использовал менее одного процента биологической продукции суши. Сейчас, когда это использование достигло 10 %, суша перестала работать компенсатором в соответствии с принципом Ле Шателье. Сейчас биота суши уже не только не компенсирует индустриальное поступление СО2, но вносит свой отрицательный вклад, сопоставимый с индустриальным.

Это результат ее разрушения человеком. Все искусственные, культурные системы — сельскохозяйственные угодья, сады и парки и т. д. — имеют разомкнутый оборот: они поддерживаются в сбалансированном состоянии благодаря искусственному внесению потребляемых веществ и удалению продуктов и отходов. Так поддерживается в стационарном благополучном состоянии данная система, но состояние биосферы в целом при этом ухудшается. В частности, все культурные сельскохозяйственные земли добавляют в атмосферу парниковых газов столько же, сколько и заводы, фабрики и электростанции. Вырубка лесов, осушение болот, распашка целины высвобождают огромное количество запасенного в земле органического углерода.

Но дело не только в малой эффективности культурных садов и полей для поддержания сбалансированности природной среды. Уничтожая естественные сообщества организмов, человек обедняет видовой состав биоты, причем не только на данном участке земной поверхности, но и на Земле в целом — в мире ежегодно исчезают благодаря человеку тысячи видов. А обеднение видового состава резко ослабляет способность биоты компенсировать случайные резкие нарушения баланса. Любая естественная природная катастрофа с каждым годом становится все опаснее для биосферы.

Полученные к настоящему времени результаты говорят, что биосфера способна работать в соответствии с принципом Ле Шателье в компенсаторном режиме, только если изъятие человеком ее продуктов не превышает 1 %. Эти условия пока еще существуют только в океане. Океан еще нормально реагирует на нарушение состава атмосферы, но и он уже «на грани». На суше еще остались сбалансированные биоценозы, которые работают в нужном направлении. Но таких сбалансированных систем осталось мало, и площадь их катастрофически сокращается.

Устойчивость биосферы поддерживается очень точной сбалансированностью процессов продукции и деструкции и огромной мощностью этих процессов, превосходящих в 10000 раз среднюю мощность естественных процессов, нарушающих баланс. Сбалансированность процессов обеспечивается огромным видовым разнообразием как продуцентов так и деструкторов. Разнообразие и конкурентность обеспечивают быструю и адекватную реакцию системы на внешние флуктуации и относительную малость внутренних случайных флуктуаций — замкнутый круговорот веществ быстро восстанавливается.