Физика окружающей среды

Рыженков Александр

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 S. Эта величина в свою очередь равна негаэнтропии отбираемой Землей N:

S = – N = 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:

S = – N = 4/3 E (1/300 – 1/6000)

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

S = – N = 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 N, 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.