Александр Рыженков - Физика окружающей среды

• Название: Физика окружающей среды
• Автор: Александр Рыженков
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-906879-78-3

В основу этой книги легли лекции автора для студентов физико-математического факультета по разработанному им спецкурсу «Физика и экология»

Обсуждается экологическая ситуация в мире и России в связи с развитием научно-технической революции, с позиций физики анализируются физические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере и влияние на них деятельности человека.

Рассматривается использование достижений современной физики в решении глобальных экологических проблем, эффективном использовании природных ресурсов, загрязнении окружающей среды.

---

Антропогенное вмешательство неизбежно деформирует естественные трофические циклы и может привести к негативным и необратимым последствиям.

В этом плане поучительна история с истреблением воробьев в Китае в 50-х годах прошлого века. Желая сохранить урожай, китайцы провели национальную кампанию по истреблению воробьев. В результате этого чрезвычайно расплодились насекомые, служившие пищей для воробьев, и посевам зерновых был нанесен значительно больший ущерб. К счастью, это вмешательство имело обратимый характер и равновесие удалось восстановить за 3 года.

Последствия антропогенного вмешательства могут быть и более серьезными. В. Г. Горшков и В. Р. Дольник [7] предупреждают, что «замыкание значительной части биосферного потока на антропогенный канал приводит к вытеснению естественных видов организмов и перераспределению потребления в биосфере.

В этих условиях с течением времени человек может столкнуться с нехваткой энергии и истечением запасов ископаемых химических элементов, необходимых для построения биомассы культурных растений и индустриальной продукции». Интересно отметить, что этот вывод сделан физиками.

Закон толерантности. При анализе трофических цепей не было учтено влияние внешних условий на характер распределения энергии и вещества. Предполагается, что они оптимальные, т. е. такие, которые обеспечивают накопление биомассы и воспроизводство.

Нормальная жизнедеятельность животных и растительных видов, функционирование экосистем и круговорот в них вещества и энергии в зависимости от внешних условий характеризуются за коном толерантности. Согласно этому закону параметры внешней среды могут меняться в определенных пределах без ущерба для видов и экосистем в целом. Выход за эти пределы приводит к гибели живых организмов и изменению экосистемы.

Например, в речной воде с определённой температурой и кислотностью (рН) сложилось устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов. Изменение параметров воды при выбросе в эту реку термальных вод при извержении вулкана или деятельности ТЭЦ может полностью сменить биоценоз. Согласно этому закону лошади не могут выживать на высоте более 3 тысяч метров, там где спокойно работают гималайские буйволы, пресно водная лягушка не выживет там, где обитает пустынная жаба, то же самое относится и к растениям.

Для грамотного планирования распределения сельскохозяйственных культур необходимо учитывать и толерантность растений к новым условиям культивирования.

Термодинамика биосферы. Многие геологические процессы на Земле и жизнь биосферы обусловлены солнечной энергией, которая поступает на Землю в виде высокочастотного (высококачественного) излучения, преобразуется в биосфере и рассеивается в космос в форме теплового (низкокачественного) излучения. Этот процесс, согласно закону Больцмана характеризуется возрастанием энтропии в системе Солнце – Земля.

S = klnW

Этот закон утверждает, что материя в изолированной системе стремится к хаотическому состоянию. Однако часть солнечной энергии, как это уже обсуждалось выше, в результате реакции фотосинтеза преобразуется в высокоорганизованную материю. Это достигается благодаря тому, что живые организмы в процессе самоорганизации производят отрицательную энтропию или негаэнтропию.

Образование высокоорганизованной материи достигается повышением степени порядка в системе, а это соответствует тому, что в формуле Больцмана под знаком логарифма необходимо подставить величину 1/W. А так как ln(1/W) это, то же самое, что и отрицательный логарифм W, то уравнение Больцмана запишется по-другому:

– S = kln(1/W).

Отсюда появилось определение негаэнтропии, как меры стремления к упорядоченности. Негаэнтропийный ресурс Земли можно определить, если исходить из того, что в условиях термодинамического равновесия энергия не Земле не накапливается:

Е1 = Е2 = Е

В таком случае негаэнтропийный ресурс Земли определяется разностью энтропии падающего и рассеянного излучения. Пользуясь моделью абсолютно черного тела и законом Стефана-Больцмана, можно определить приращение энтропии излучения ΔS. Эта величина в свою очередь равна негаэнтропии отбираемой Землей ΔN:

ΔS = – ΔN = 4/3 (E2 / T2 – E1 / T1) = 4/3 E(1 / T2 – 1 / T1),

где E1 и T1 – внутренняя энергия и температура солнечного излучения. E2 и Т2 – энергия и температура уходящего излучения.

При Т1 = 6000 К и Т2 = 300 К получим:

ΔS = – ΔN = 4/3 E (1/300 – 1/6000)

Величиной 1/6000 в сравнении с 1/300 можно пренебречь и:

ΔS = – ΔN = 4/3 (E/T2)

т. е. ежегодный ресурс негаэнтропии зависит, в основном, от эффективной температуры потока энергии, излучаемого Землей. Следовательно, при заданном потоке солнечной энергии, с увеличением ΔN, можно получить понижение температуры уходящего излучения, что соответствует увеличению длины его волны. Как известно, эту роль выполняет растительность на Земле. При этом энтропия системы Солнце-Земля увеличивается, но увеличивается и негаэнтропийный ресурс Земли за счет локального понижения энтропии.

Антропогенное вмешательство в деятельность экосистем неизбежно приводит к увеличению неупорядоченности и снижению негаэнтропийного ресурса. Предельным случаем такого вмешательства будет гибель биосистем.

Глава 3. Физика земных процессов

Вода! У тебя нет ни вкуса, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты есть сама жизнь.

А. Сент-Экзюпери

Земля – элементы строения. В окружающем нас мире рождаются звезды, движутся планеты, взрываются вулканы, текут реки, дуют ветры, растут деревья, летают птицы. Физика сумела показать, что основа всего многообразия процессов живой и неживой природы – физические явления и основой всего этого многообразия являются четыре типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное и четыре формы материи: газ, жидкость, твердое тело и поле. Невольно приходит на память поэтическая фраза: «Как сложен мир и в то же время прост!».

Главная тема нашего обсуждения, однако, не физическая картина мира и не поэтические параллели, а влияние на процессы в окружающей среде человеческого фактора и роль физики в этом влиянии.

Трудно сказать, когда человек задумался об этом влиянии. Однако основные этапы нам известны. В философии древних эти мысли появились у Аристотеля и выражены им в «Физике», «О небе», «О возникновении и уничтожении» и «Метрологике». Так, он отмечает, что истощение земли страшнее войны и что мелиорация может принести и пользу и вред.

Основой современной науки о взаимодействии человеческого общества и природы стало учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Центральной в нем является идея о сопоставимости человеческой деятельности с крупнейшими геологическими силами: «Человечество своим трудом и своим сознательным отношением к жизни перерабатывает земную оболочку – геологическую область жизни, биосферу. Труд и сознание человека переводят ее в новое геологическое состояние, «ноосферу».

Чтобы разобраться в действии природных сил в сочетания с антропогенной силой, сделаем краткий обзор строения Земли и процессов, происходящих в ее сферах.

Земля это шарообразное твердое тело (рис. 12) со сложной внешней и внутренней структурой на 3/4 покрытое водой, окруженное газообразной оболочкой – атмосферой и неоднородным магнитным полем – магнитосферой.

Рис. 12. Схема сечения земли и магнитосферы

1. Твердое ядро. 2. Жидкое ядро. 3. Мантия. 4. Материковые плиты. 5. Радиационный пояс. 6. Силовые линии магнитного поля.

Атмосферу на схеме показать невозможно, так как ее толщина в данном масштабе должна быть менее 0,1 мм.

Атмосфера, гидросфера и литосфера не изолированы друг от друга, они находятся в динамическом взаимодействии и в то же время испытывают влияние внешних сил: гравитационного поля Солнца, Луны и планет, солнечного и космического излучения, столкновений с космическими телами. На этом фоне, человек выглядит слишком ничтожным и слабым, чтобы вмешаться в действие этих гигантов и оказать свое влияние. Но это только на первый взгляд.

Физические явления в литосфере. Земная поверхность сформировалась под действием гравитационных и тектонических сил, воздействия воды, воздушных потоков и солнечной радиации. Процесс этот продолжается, и облик Земли периодичности оледенения, большая часть Европы, Канада, север азиатского материка через 20–25 тысяч лет покрываются слоем льда.

Рис. 13. Динамика плит

Суша занимает 1/4 часть поверхности Земли, остальное Мировой океан. Материки покоятся на гранитном основании, во многих местах покрытом осадочными породами, толщина которых в некоторых местах доходит до 10–15 км. Океанское дно подстилают базальты, и на них, как ни странно, отсутствуют осадочные отложения. Это свидетельствует о сравнительно недавнем происхождении современных океанов. На поверхности материков и дне океанских впадин расположены цепи горных образований, имеющих лишь внешнее сходство. Материковые горные цепи сложены, в основном, из осадочных пород и гранита, горные цепи океанов – базальтовые и разделены, как правило, долинами или рифтами. Эти факты послужили основанием для создания современной теории плит, согласно которой внешняя часть земной коры состоит из плит, перемещающихся по верхней части мантии, При перемещении края плит надвигаются друг на друга, происходит их деформация с образованием поднятий, как Кордильеры, и рифтовых зон, как Атлантическая и Тихоокеанская. Динамика движения плит показана на рис. 13., где: 1 – плиты, 2 – подвиг, 3 – рифтовая зона, 4 – верхняя мантия, 5 – нижняя мантия. Дно океана раздвигается под действием конвекционных потоков в мантии обусловленных теп лом, выделяющимся в недрах при радиоактивном распаде некоторых элементов, химических реакциях и действии некоторых других факторов. Предполагается, что основная часть тепла выделяется в земном ядре, температура которого коло 7000 °C. Температура земной коры повышается на 30 °C с каждым километром глубины, начиная с его поверхности. Подсчитаем мощность теплового потока достигающего поверхности и передаваемого атмосфере.