Физика и экология

Физика и экологияДля многих эти понятия - физика и экология -кажутся несовместимыми.Ведь физика, внедрение ее результатов в промышленностьпредставляются как один из главнейших источников загрязнения окружающей среды.И действительно, атомная промышленность, энергетика, другие отрасли, широкоиспользующие достижения физики, дают немало примеров отрицательного воздействияна окружающую среду.Но физика имеет к экологии и другое, наполненноеположительным содержанием , отношение. Об этом и поговорим.Существуют различные толкования термина экология . Согласно классическому определению, экология каксамостоятельная наука относится к наукам биологическим, да и сам термин экология был предложен немецким биологом-эволюционистом Э.Геккелем.

Наряду с таким биологическим пониманием экологии всовременном обществе существует понятие экология как представлениеоб уровне техногенного загрязнения окружающей среды, представление об экологиикак науке, занимающейся изучением антропогенного воздействия на окружающуюсреду и разработкой методов уменьшения этого воздействия.

Такие представленияне являются научными, но именно они наиболее широко распространены в обществе,а также среди ученых, занимающихся прикладными исследованиями.Новое понимание экологии возникло на основетеории 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 отом, что законы организации должны действовать не только в живой, но и неживойприроде.

Наличие структур, организованность - это важнейшие черты природы.Вернадский, развивая учение о биосфере и ноосфере, использовал понятиеорганизованности как важнейшего свойства материальных и энергетических частейбиосферы. И считал, что антропогенное воздействие может стать более мощнымгеологическим и геохимическим фактором, чем все природные процессы вместевзятые.Согласно В.Г. Горшкову, при полном нарушении скоррелированноговзаимодействия видов в естественных сообществах биоты окружающая среда можетполностью на 100 исказиться за десятки лет. Если же вся биота будетуничтожена, то искажение окружающей среды на 100 за счет геофизическихпроцессов произойдет только за сотни тысяч лет.Начиная по крайней мере с XX столетия биота сушиперестала поглощать избыток углерода из атмосферы.

Наоборот, она сталавыбрасывать углерод в атмосферу, увеличивая загрязнение окружающей среды,производимое промышленными предприятиями.

Это означает, что структураестественной биоты суши нарушена в глобальных масштабах. Что касается всейбиосферы, можно констатировать, что ее современное частично загрязненноесостояние обратимо, она может вернуться в прежнее устойчивое состояние присокращении антропогенного загрязнения на порядок величины. Другого устойчивогосостояния биосферы не существует, и при сохранении или ускорении темповвозмущения биосферы устойчивость окружающей среды будет разрушена.Отсюдаследует, что ноосфера сфера разума как экологическая ниша устойчивогосуществования и развития цивилизованного человека при наличииэкономико-технологической деятельности возможна только при сохранениидостаточного количества биоты на большой территории планеты.Таким образом, главное природное противостояние,связанное с существованием и развитием жизни на Земле, осуществляется междугеофизическими процессами, возмущающими биосферу, и биотой, компенсирующей этивозмущения.

Отсюда ясна роль фундаментальных исследований в областиэкологической геофизики и физики вообще.

Глубокое изучение проблемэкологической геофизики расширит возможности поисков выхода из экологическогокризиса, обусловленного неконтролируемым антропогенным воздействием наокружающую среду. В связи с исследованием термодинамики открытых систем иизучением процессов самоорганизации в неравновесных системах стали понятнымифизические причины самоорганизации в живой и неживой природе.Элементы илисистемы живой и неживой природы являются открытыми термодинамическимисистемами, далекими от состояния равновесия.

Их пронизывают потоки энергии ивещества, и поэтому в них и происходят процессы структуризации,самоорганизации. Таким образом, самоорганизация систем в природе базируется нафундаментальных физических принципах.И.Р. Пригожин, лауреат Нобелевской премии похимии, назвал упорядоченные образования, которые возникают в ходе неравновесныхпроцессов, диссипативными структурами.Диссипативные структуры возникают врезультате развития собственных внутренних процессов системы.

При этомпроисходит обмен системы энергией и веществом с окружающей средой, чтообеспечивает состояние динамического равновесия баланса потоков , несмотря навнутренние потери в системе. В этом их отличие от упорядоченных структур,возникновение которых обусловлено внешними воздействиями. Системы океаническихтечений, циркуляция в атмосфере являются яркими и хорошо известными примерамидиссипативных структур, существующих на планете.Земля является открытойсистемой.

Основной поток энергии поступает от Солнца. В процессе фотосинтеза ипоследующих преобразований эта энергия трансформируется в другие формы.Приходящее тепло уравновешивается тепловым излучением Земли.Классическим примером диссипативных структурявляются циркуляционные ячейки Бенара.Представьте жидкость, налитая в широкийплоский сосуд, подогревается снизу после того как градиент температурыжидкости превысит некоторое критическое значение, вся жидкость в сосудеразбивается на систему сотообразных циркуляционных ячеек в центральной частиячейки жидкость поднимается, а в пограничных боковых гранях - опускается, вповерхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном -наоборот. В зависимости от знака температурной зависимости коэффициентамолекулярной вязкости от температуры направление движения в ячейках изменяетсяна обратное.

Возникновение циркуляционных ячеек обеспечивает передачу большеготеплового потока в жидкости по сравнению с тепловым потоком, которыйпередавался только за счет молекулярной теплопроводности.Гигантская структура таких ячеек наблюдается наСолнце.Вернемся к упомянутому выше определениюэкологии, которое является , с одной стороны, наиболее общим, а с другой -наиболее физическим . Определим экологию как науку об организации иэволюции биосферных систем разных уровней сложности в том числе всейбиосферы , изучающую связи и превращения в таких системах.

Задача экологиизаключается в установлении причин и условий возникновения и развития биосферныхсистем различного уровня сложности, изучение устойчивости этих систем.

Экологияв этом случае понимается как наука, изучающая процессы самоорганизации иэволюции систем в живой и неживой природе, а особая роль физики в изученииважнейших проблем экологии - хорошо видна.Экология на современной стадии своего развитияявляется наукой, призванной объединить, синтезировать совокупность научныхзнаний о биосфере.Этот процесс интеграции может быть решен только на основекакого-либо общего начала.

Полагаем, что именно физика в силу сказанного вышедолжна выступить в качестве такого объединяющего начала. Прогнозная функцияэкологии может быть выполнена только в том случае, если она будет базироватьсяна фундаментальных принципах природы, законах организации природы. Частьэкологических проблем, изучаемых физикой, может быть выделена в особую отрасльэкологии - экологическую физику.Геофизика физика Земли , изучающая, вчастности, физические процессы в литосфере, гидросфере, атмосфере, по сутиисследует физические процессы в биосфере или ее частях.

Необходимо указать, чтобольшинство экологических факторов имеет геофизическую природу. Геофизика,накопившая богатейший опыт исследования закономерностей физических процессов,протекающих в оболочках Земли, на стыке которых и формируются жизненно важныеэкосистемы, подверженные влиянию геоэволюционного и катастрофическивозрастающего антропогенного факторов, может взять на себя решение рядаэкологических проблем.Широкий спектр физических методов изучениявещества должен найти применение в создании эффективных средств мониторингаэкосистем различного уровня.

Очевидно, что глобальные методы мониторинга могутбыть созданы только на основе физических принципов.Опыт разработки физико-математических моделейприродных процессов также может быть полезным в исследовании влиянияантропогенных воздействий на функционирование экосистем.Все перечисленныенаправления могут быть отнесены к сфере интересов новой науки, развивающейся настыке физики и экологии - экологической физики.

Содержание этого новогонаправления еще четко не определено и находится в стадии становления, о чемсвидетельствуют материалы двух Всероссийских конференций Физическиепроблемы экологии , проведенные в 1997 и 1999 годах на физическомфакультете МГУ. Список использованной литературы Журнал Экология и жизнь . Статья ТрухинаВ.И Показеева К.В Шрейдера А.А.