Физика окружающей среды - Александр Рыженков

Современная физика, имеется в виду учебная дисциплина, в значительной степени ушла от изучения своего первоначального объекта аристотелевских и даже более поздних времен – явлений природы. Физика школьных и вузовских учебников рассматривает, в основном, локальные явления в искусственной среде: поведение газа в замкнутых объемах, движение зарядов в электрических цепях, магнитные поля проводников с током, реакции в ядерных реакторах и т. п. Особенно это заметно на иллюстративном материале, весь он базируется на применении физических явлений и законов в технике.

Можно сказать, рискуя встретить резкую критику, что физика во все большей степени становится служанкой НТР. Из ее внимания практически выпали явления в естественной среде и, совершенно полностью, в биосистемах.

У школьников и студентов в связи с этим стало складываться впечатление о природе как о среде, существующей отдельно от человека, а следовательно, и не стоящей большого внимания.

Отсюда появилось заниженное представление о ценности природы. Таким образом, начиная со школьной скамьи, мы сознательно, хотя и невольно, формируем потребительское отношение к природе. Аналогичные упреки можно отнести и к современной химии. Возникает вопрос, а правильно ли мы называем сейчас эти науки естественными?

Достижения физики конца XIX – начала XX века явились основой современной НТР, началом которой принято считать 40–60-е годы двадцатого столетия. С этими годами связано бурное развитие энергетики, средств транспорта и связи, ядерной военной техники и т. п. Нет необходимости разъяснять, что в основе этих отраслей человеческой деятельности заложены великие физические открытия, связанные с именами Фарадея, Максвелла, Резерфорда, Капицы, Бора, Бардина, Ландау, Басова, Прохорова, Таунса и других физиков.

Таким образом, физика, которая явилась основой современной технологии, оказалась в начале антропогенного воздействия на окружающую среду. Экологизация физики становится необходимым этапом развития, науки и образования для того, чтобы гармонизировать взаимоотношения человека с природой. Стоит заметить, что обычно в литературе обходится стороной вклад физики в развитие военной техники и влияние этого на НТР. Влияние это огромно, поскольку эта техника забирает у человечества лучшие материальные и интеллектуальные ресурсы. Именно эта техника ответственна в значительной степени за проявление неимоверного расточительства природных ресурсов, так как гонка вооружений заставляет противостоящие стороны постоянно спешить, чтобы оказаться уже если не впереди, то по крайней мере не сзади партнера. В такой гонке не до сохранения природных ресурсов.

В этой связи особенно значительно выглядит инициатива СССР, приведшая в 60-х годах к запрету ядерных испытаний в атмосфере и на земной поверхности, и продолжающиеся сейчас усилия по полному запрету всех ядерных испытаний и ликвидации ядерного оружия.

Экологизация учебной физики означает: 1. введение в предмет ее изучения явления природы в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе; 2. изучение физических методов наблюдения за состоянием окружающей среды; 3. изучение физических процессов, происходящие при вторжении искусственной среды в естественную; 4. изучение физических методов защиты окружающей среды; 5. изучение физических методов рационального природопользования, мало – и безотходных технологий; 6. изучение физических основ в создании экологически чистой энергетики и транспорта.

Такой подход вернет на свое место истинную ценность природы и жизни как главные ценности. С полным правом к такому подходу можно применить и термин гуманизация науки. Экологизация дисциплин естественнонаучного цикла будет способствовать сближению естественных и общественных наук.

Необходимость решения глобальных проблем заставляет рассматривать экологизацию естествознания, и физики в частности, не как внутреннее дело науки, а как определенную закономерность в развитии цивилизации.

Положительного эффекта в этом процессе можно достичь только при знании, как минимум, основ фундаментальной экологии. Следующая глава знакомит читателя с базовыми законами и понятиями этой новой для не биологов науки.

Глава 2. Биосфера – «машина» циклов

Родная земля – самое великолепное, что нам дано для жизни. Ее мы должны возделывать, беречь и охранять всеми силами своего существа.

Элементы экологии. Наука, изучающая взаимодействие живых организмов с окружающей средой – экология получила свое название от др. греческих οίκος – обиталище, дом и λόγος – наука.

Составляющие окружающей среды, специфические для данного вида живого организма, обеспечивающие его развитие и воспроизводство характеризуют экологическую нишу этого вида. Такой нишей могут быть океан, опушка леса, капля воды. Совокупность неорганической основы, климатических условий (экотоп) и живых организмов (биоценоз) представляет экосистему (рис. 2). В экотоп входят климат, вода, почва, элементы ландшафта, воздух. Биоценоз составляют живые организмы, (зооценоз), растения (фитоценоз) и микроорганизмы (микробиоценоз). Для полноты компонентов составляющих экотоп, необходимо включить солнечное излучение, электромагнитный и акустический фон, а также, космическое излучение. Биоценоз и экотоп эволюционируют, воздействуя друг на друга через систему связей. Эти связи показаны стрелками, и механизм этого взаимодействия и представляет предмет экологии.

Стрелки-связи показывают направление потоков перетекания энергии и вещества поддерживающих устойчивое биологической и физическое состояние экосистемы.

Большой вклад в развитие экологии внес академик В. И. Вернадский. Он расширил ее границы, введя в систему связей экосистемы человеческий (антропогенный) фактор и понятие о ноосфере. Он определил ноосферу как совершенно новый объект научного познания, так как «это не просто общество, существующее в определенной среде, служащей пассивным поставщиком вещества и энергии и сохраняющейся в самой себе равном состоянии. Это нечто иное, целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяющаяся природа, взаимодействующие самым тесным образом. Можно сказать, что здесь действуют особые закономерности, в которых сложнейшим образом переплетаются законы неживой и живой природы, законы общества и законы человеческого мышления» [4].

Рис. 2. Схема экосистемы

Явления, происходящие в биосфере, взаимоотношения между частями биосферы и экосистем и внутри каждой из них подчиняются определенным закономерностям и могут быть описаны в виде законов. Законы эти в отличие от физических трудно формализуются, может быть, в силу большой сложности описываемых явлений, а может быть, потому, что физика и биология пользуются разными представлениями о структуре окружающего пространства.

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, это живая оболочка Земли, область распространения жизни. Нижняя граница биосферы – донные отложения океана, верхняя граница – озоновый экран, выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование живых организмов. Реально верхняя граница проходит на высоте 5–6 тыс. м., там, где в скалах могут обитать лишь мхи и микроорганизмы. Таким образом, толщина биосферы составляет около 15 км. В сравнении с радиусом Земли это очень малая величина, а на модели Земли, например, с радиусом в 1 м она будет выглядеть, как тончайшая пленка толщиной 0,2×10–3 м. Так же она и представляется космонавтам, их всегда удивляет наблюдаемая тонкость атмосферы.

Рассмотрим основные элементы биосферы – воду, воздух, почву теперь с позиций экологии как среду и ресурсы, обеспечивающие жизнь на Земле.

Круговорот воды в биосфере. Вода это составная часть всех элементов биосферы – не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ, в которых под влиянием энергии Солнца и жизнедеятельности поддерживается определенный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот баланс – круговорот воды. Мировой баланс воды – величина довольно стабильная, на что еще обратил внимание Аристотель в «Метеорологии». Балансы отдельных элементов биосферы, например континентальных и океанских вод, непостоянны из-за изменения режима осадков, связанных с глобальными изменениями климата (ледниковые периоды). Для существования жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важно частью в этом балансе являются пресные воды, которые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах, 85 % пресной воды планеты сосредоточено в ледниках.

Ежегодный объем воды, который может использовать человечество, составляет 37,3 тыс. км3 (речной сток) и часть подземных вод, запасы которых – 13 тыс. км3. Сами по себе эти цифры ничего не говорят, кроме того, что это большие величины. Для их оценки необходимо сравнить их с потребностью человечества в воде. Из имеющихся данных по расходу воды (в км3) на 1975 год [5] видно, что потребности уже сравнимы с природными запасами.