Фізика та
екологія
Трухін В.І.,
Показеев К.В., Шрейдер А.А.
Для багатьох ці
поняття - фізика та екологія - здаються несумісними. Адже фізика, впровадження її
результатів у промисловість представляються як одна з найголовніших джерел
забруднення навколишнього середовища. І дійсно, атомна промисловість,
енергетика, інші галузі широко використовують досягнення фізики, дають чимало
прикладів негативного впливу на навколишнє середовище.
Але фізика має
до екології та інше, наповнене позитивним змістом, ставлення. Про це
і поговоримо.
Існують
різні тлумачення терміну "екологія". Відповідно до класичного
визначенням, екологія як самостійна наука відноситься до наук
біологічним, та й сам термін "екологія" був запропонований німецьким
біологом-еволюціоністів Е. Геккелем. Поряд з таким "біологічним"
розумінням екології в сучасному суспільстві існує поняття
"екологія" як уявлення про рівень техногенного забруднення
навколишнього середовища, уявлення про екологію як науку, що займається вивченням
антропогенного впливу на навколишнє середовище і розробкою методів зменшення
цього впливу. Такі уявлення не є науковими, але саме вони
найбільш широко поширені в суспільстві, а також серед вчених, що займаються
прикладними дослідженнями.
Нове розуміння
екології виникло на основі теорії систем, термодинаміки відкритих систем і
є найбільш "фізичним". Це розуміння екології сходить до
робіт А.А. Богданова, В.І. Вернадського. Богданов ще на початку XX століття
висловив думку про те, що закони організації повинні діяти не тільки в
живий, але і неживої природи. Наявність структур, організованість - це найважливіші
риси природи. Вернадський, розвиваючи вчення про біосферу та ноосферу, використовував
поняття організованості як найважливішого властивості матеріальних та енергетичних
частин біосфери. І вважав, що антропогенний вплив може стати більше
потужним геологічним і геохімічним фактором, ніж всі природні процеси
разом узяті. Згідно В.Г. Горшкову, при повному порушенні скоррелірованного
взаємодії видів в природних співтовариствах біоти навколишнє середовище може
повністю (на 100%) спотворитися за десятки років. Якщо ж вся біота буде
знищена, то викривлення навколишнього середовища на 100% за рахунок геофізичних
процесів відбудеться тільки за сотні тисяч років.
Починаючи з
принаймні з XX століття біота суші перестала поглинати надлишок вуглецю з
атмосфери. Навпаки, вона стала викидати вуглець в атмосферу, збільшуючи
забруднення навколишнього середовища, яке виробляється промисловими підприємствами. Це
означає, що структура природної біоти суші порушена в глобальних
масштабах. Що стосується всієї біосфери, можна констатувати, що її сучасна
частково забруднена стан оборотно, вона може повернутися в колишнє
стійкий стан при скороченні антропогенного забруднення на порядок
величини. Іншого сталого стану біосфери не існує, і при
збереження або прискорення темпів обурення біосфери стійкість навколишнього
середовища буде зруйнована. Звідси випливає, що ноосфера (сфера розуму) як
екологічна ніша сталого існування і розвитку цивілізованого
людини при наявності економіко-технологічної діяльності можлива тільки при
збереженні достатньої кількості біоти на великій території планети.
Таким чином,
головне природне протистояння, пов'язане з існуванням і розвитком життя
на Землі, здійснюється між геофізичними процесами, обурювалися
біосферу, і біотою, що компенсує ці обурення. Звідси зрозуміла роль
фундаментальних досліджень у галузі екологічної геофізики та фізики взагалі.
Глибоке вивчення проблем екологічної геофізики розширить можливості пошуків
виходу з екологічної кризи, зумовленої неконтрольованим антропогенним
впливом на навколишнє середовище. У зв'язку з дослідженням термодинаміки
відкритих систем і вивченням процесів самоорганізації в нерівноважних системах
стали зрозумілими фізичні причини самоорганізації в живої і неживої природи.
Елементи або системи живої і неживої природи є відкритими
термодинамічними системи, далекі від стану рівноваги. Їх пронизують
потоки енергії та речовини, і тому в них і відбуваються процеси
структуризації, самоорганізації. Таким чином, самоорганізація систем в
природі базується на фундаментальних фізичних принципах.
І.Р. Пригожин,
лауреат Нобелівської премії з хімії, назвав впорядковані освіти, які
виникають в ході нерівноважних процесів, дисипативних структурами.
Дисипативні структури виникають в результаті розвитку власних внутрішніх
процесів системи. При цьому відбувається обмін системи енергією і речовиною з
навколишнім середовищем, що забезпечує стан динамічної рівноваги (балансу
потоків), незважаючи на внутрішні втрати в системі. У цьому їхня відмінність від
впорядкованих структур, виникнення яких обумовлено зовнішніми
впливами. Системи океанічних течій, циркуляція в атмосфері є
яскравими і добре відомими прикладами дисипативних структур, що існують на
планеті. Земля є відкритою системою. Основний потік енергії надходить від
Сонця. У процесі фотосинтезу і подальших перетворень ця енергія
трансформується в інші форми. Приходить тепло врівноважується тепловим
випромінюванням Землі.
Класичним
прикладом дисипативних структур є циркуляційні осередку Бенара.
Уявіть: рідина, налита в широкий плоский посуд, що підігрівається знизу;
після того як градієнт температури рідини перевищить деякий критичний
значення, вся рідина в посудині розбивається на систему сотообразних
циркуляційних осередків; в центральній частині осередку рідина піднімається, а в
прикордонних бічних гранях - опускається, в поверхневому шарі рідина
розтікається від центру до країв, а в придонному - навпаки. Залежно від знаку
температурної залежності коефіцієнта молекулярної в'язкості від температури
напрямок руху в осередках змінюється на протилежне. Виникнення
циркуляційних комірок забезпечує передачу більшого теплового потоку в рідині
в порівнянні з тепловим потоком, який передавався тільки за рахунок
молекулярної теплопровідності.
Гігантська
структура таких осередків спостерігається на Сонці.
Повернемося до
згаданому вище визначенням екології, яке є, з одного боку,
найбільш загальним, а з іншого - найбільш "фізичним". Визначимо екологію
як науку про організацію і еволюції біосферних систем різних рівнів складності
(у тому числі всієї біосфери), що вивчає зв'язку та перетворення в таких системах.
Завдання екології полягає у встановленні причин і умов виникнення і
розвитку біосферних систем різного рівня складності, вивчення стійкості
цих систем. Екологія в цьому випадку розуміється як наука, що вивчає процеси
самоорганізації та еволюції систем у живої і неживої природи, а особлива роль
фізики у вивченні найважливіших проблем екології - добре видно.
Екологія на
сучасній стадії свого розвитку є наукою, покликаною об'єднати,
синтезувати сукупність наукових знань про біосферу. Цей процес інтеграції
може бути вирішене тільки на основі будь-якого загального початку. Вважаємо, що
саме фізика в силу сказаного вище повинна виступити в якості такого
об'єднуючого початку. Прогнозна функція екології може бути виконана тільки в
тому випадку, якщо вона буде базуватися на фундаментальних принципах природи,
законах організації природи. Частина екологічних проблем, що вивчаються фізикою,
може бути виділена в окрему галузь екології - екологічну фізику. Геофізика
(фізика Землі), що вивчає, зокрема, фізичні процеси в літосфері,
гідросфері, атмосфері, по суті досліджує фізичні процеси в біосфері або її
частинах. Необхідно зазначити, що більшість екологічних факторів має
геофізичну природу. Геофізика, що накопичила багатющий досвід дослідження
закономірностей фізичних процесів, що протікають в оболонках Землі, на стику яких
і формуються життєво важливі екосистеми, піддані впливу геоеволюціонного
і катастрофічно зростаючого антропогенного факторів, може взяти на себе
вирішення низки екологічних проблем.
Широкий спектр
фізичних методів вивчення речовини повинен знайти застосування у створенні
ефективних засобів моніторингу екосистем різного рівня. Очевидно, що
глобальні методи моніторингу можуть бути створені тільки на основі фізичних
принципів.
Досвід розробки
фізико-математичних моделей природних процесів також може бути корисним у
дослідженні впливу антропогенних впливів на функціонування екосистем.
Всі перераховані напрямки можуть бути віднесені до сфери інтересів нової
науки, що розвивається на стику фізики та екології - екологічної фізики. Зміст
цього нового напрямку ще чітко не визначена і знаходиться у стадії
становлення, про що свідчать матеріали двох Всеросійських конференцій
"Фізичні проблеми екології", проведені в 1997 і 1999 роках на
фізичному факультеті МДУ.
Список літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.ecolife.ru/
