Второе начало термодинамики и экология

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 26Следующая ⇒

Вопрос о применимости второго начала термодинамики к живым системам и биосфере не раз ставился перед учеными. Ярко выраженная тенденция живых систем к неравновесности заставляет некоторых естествоиспытателей усомниться в возможности действия второго начала термодинамики в области живого. Существует мнение, что равновесие характеризуется состоянием покоя и симметрии, асимметрия же связана с движением и неравновесным состоянием. Понятие равновесия играет в биологии не менее значимую роль, чем в физике. Всеобщий закон биологии — принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем — определяет специфику биологической формы движения материи. Действительно, устойчивое термодинамическое равновесие (асимметрия) является основным принципом, который не только охватывает все уровни познания живого, но выступает в качестве ключевого принципа в постановке и решении проблемы происхождения жизни на Земле.

Понятие равновесия может быть рассмотрено не только в статистическом аспекте, но и в динамическом. Симметричной считается среда или статистическая система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, среда с высокой энтропией и максимальным беспорядком частиц. Асимметричная среда характеризуется нарушением термодинамического равновесия, низкой энтропией и высокой упорядоченностью структуры.

При рассмотрении целостного объекта картина меняется. Симметричные системы (кристалл) характеризуются состоянием равновесия и упорядоченности. Но асимметричные системы (живые тела) также характеризуются равновесием и упорядоченностью с тем только различием, что в последнем случае имеем дело с динамической системой. Таким образом устойчивое термодинамическое равновесие (или асимметрия) статистической системы есть другая форма выражения устойчивого динамического равновесия (асимметричные динамические системы) высокой упорядоченности и структурности организма на всех его уровнях. Нужно только указать, что структурность носит динамический характер.

Ясно, что живое подчиняется физическим законам так же, как и неживое. Парадокс неравновесности — кажущееся явление. Абсолютное стремление к термодинамическому равновесию присуще лишь замкнутым системам, а биосфера, как и каждый отдельный организм, является принципиально открытой системой, на протяжении всей своей истории получающей энергию и негаэнтропию (информацию). Поэтому не было бы нужды связывать проблему окружающей среды со вторым началом термодинамики, если бы этот закон ограничивал сферу своего действия только на термодинамику.

Заложенный во втором начале термодинамики принцип (в замкнутой, т.е. изолированной, системе в тепловом и механическом отношении энтропия остается либо неизменной, если в системе протекают обратимые, равновесные процессы, либо возрастает при неравновесных процессах и в состоянии равновесия достигает максимума, другими словами: тепло не может передаваться от более холодного к более нагретому телу без каких-либо изменений в окружающей среде или самой системе) носит более общий характер и выходит далеко за рамки действия термодинамики. Теория открытых систем имеет системные законы, которые проявляются в виде аналогий.

Проявление второго начала термодинамики в специфической форме в экологии можно раскрыть с помощью двух родственных принципов:

? принцип ярусности;

? принцип относительной замкнутости.

Принцип ярусности означает, что каждая конкретная экосистема может поглощать негаэнтропию среды только в пределах своего яруса (имеются в виду ярусы пищевой пирамиды в экологии: хищники не могут поддерживать жизнедеятельность своего организма при помощи травы, травоядным нет никакой пользы от углекислого газа, солнечного цвета, обеспечивающих рост растений и т.д.).

Рассмотрим теперь принцип относительной замкнутости. Каждая конкретная экосистема в пределах экологической ниши, являющейся открытой системой, будет вместе с тем замкнутой по какому-нибудь параметру, жизненно важному для обитателей данной ниши. Например, если популяция рыси поедает всех кроликов в своей округе, она обречена на гибель, несмотря на наличие других, но биологически не пригодных для рыси источников негаэнтропии. Таким образом, по «кроличьему параметру» экосистема рысь — кролик как биотип оказалась замкнутой.

Взаимопронизывающие уровни метасистем

С точки зрения экологии человека, можно выделить множество взаимопронизывающих уровней метасистем: человек — воздух; человек — вода; человек — почва; человек — животный мир; человек — шумы. На каждом уровне человек действует одним и тем же способом: черпает негаэнтропию, поэтому каждому уровню потенциально грозит разрушение. Рассмотрим более подробно некоторые из этих уровней.

Уровень «человек — воздух»

Размеры воздушного океана, окружающего нашу планету, колоссальны: его вес составляет около 5 000 трлн т. На каждого жителя земного шара приходится по 2, 5 млн тонн воздуха. Первостепенную важность для жизни человека имеет сохранение кислородного равновесия. За последние 100 лет уничтожено 245 млрд т кислорода, а вместо него в атмосферу поступило 300 млрд т углекислого газа.

Потребление кислорода при современном уровне развития техники достигает 0, 1 от его общего количества, образующегося в процессе фотосинтеза. Кислород сгорает в фабричных печах, двигателя кораблей, автомобилей, ракет, самолетов и т.д.

При перелете через Атлантику одним самолетом потребляется примерно 70—150 т кислорода. Как показывают проведенные исследования, французско-британский «Конкорд» «проглатывает» каждую секунду 700 кг воздуха, а 320 млн автомобилей потребляют больше кислорода, чем все население Земли. Каждый человек за сутки потребляет около 300 л кислорода, а спортсмены — значительно больше.

От загрязнения воздуха страдают в первую очередь жители больших городов и промышленных центров. Города нередко покрывает «смог» в виде колпака, достигающего высоты 2, 5 км. Подсчитано, что за минуту житель села вдыхает приблизительно 40 млн частиц пыли, а житель города за то же время наполняет легкие миллиардом пылинок, вызывающих болезни и даже смерть. По данным журнала «Шпигель», в Детройте человек вдыхает в день такое количество вредных газов, которое равноценно выкуриванию 25 сигарет, а работник транспорта в центре Лондона — такое количество газов, которое по отрицательному воздействию равно 100 выкуренным сигаретам. Полиция Токио во время транспортного пика сменяется на улицах города каждые полчаса, чтобы какое-то время подышать кислородом из металлических баллонов.

Концентрация загрязнения в воздухе растет со скоростью перемешивания холодных и теплых слоев воздуха. Теплый воздушный слой препятствует распространению загрязнения. Расчеты показали, что особенно в странах с развитой промышленностью потребление кислорода в количественном отношении больше того «производства» кислорода, которое дают растения той или иной страны или региона.

И тем не менее доля кислорода в атмосфере не снижается. Американские ученые, проводившие исследования с космического корабля «Аполлон-16», пришли к заключению, что Земля имеет еще один источник кислорода — водяной пар, разлагающийся в верхних слоях атмосферы на кислород и водород под действием ультрафиолетовых лучей. Ученые предполагают, что таким образом кислорода производится гораздо больше, чем потребляется.

Влияние на климат оказывают и следы водяного пара, образуемого за реактивным двигателем самолета. Ученые считают, что плотность воздушного сообщения усиливает формирование облаков над Атлантикой примерно на 10%. Учитывая, что облачность снижает температуру на поверхности Земли, можно утверждать, что если облачный покров будет на 5% выше среднего, то могут наступить условия, аналогичные тем, которые были в эпоху обледенения. Некоторые ученые утверждают, что интенсивность воздушного сообщения в два раза повышает облачность над районами полетов. Моделью охлажденной Земли может служить Марс, в атмосфере которого непрестанно возникают пыльные бури, а на поверхности преобладают пустыни.

С другой стороны, повышение содержания углекислого газа в атмосфере создает «парниковый эффект»: атмосфера пропускает солнечную радиацию, а в обратном направлении теплового излучения не происходит. В атмосфере постоянно накапливается углекислый газ: при сгорании топлива в атмосферу ежегодно поступает не менее 10¹⁰ т углекислого газа, создающего отражающую способность атмосферы. Кроме того, в составе воздуха имеется и природный газ, образующийся при вулканических извержениях, при дыхании людей и животных и т.д.

Углекислый газ циркулирует между атмосферой и океаном, причем в океанах его концентрация в 60 раз выше, чем в воздушной среде. Каждый год растительность Земли поглощает из воздуха около 160 млн т углекислого газа. Но так же ежегодно известняк, разлагающийся в верхних слоях земной коры, пополняет поглощенное количество углекислого газа. Так функционирует сама природа. Существует мнение, что к 2000 г. содержание углекислого газа в атмосфере увеличится на 20%, т.е. достигнет 0, 0379%, а этого достаточно, чтобы вызвать повышение температуры на всей планете и растопить льды. Моделью разогрева является атмосфера Венеры. Однако в природе две противоположные тенденции — охлаждение и разогрев, — происходят одновременно, взаимно компенсируя друг друга.

Ученые Австралии пришли к заключению, что озон, охраняющий жизнь на Земле от губительного действия ультрафиолетового излучения, постепенно исчезает в верхних слоях атмосферы. По их расчетам в течение 10 лет концентрация озона ниже 30 км снизилась прежде всего в тех районах, где наиболее жарко. Огромное количество озона скапливается в крупных городах с интенсивным автомобильным движением. Озон раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей человека, вызывая воспаление легких, головную боль и т.п.

Слой озона содержится в стратосфере в полосе от 25 до 60 км над поверхностью Земли. Учеными подсчитано, что Землю окружает около 5 млрд т озона. Разрушителями озона являются хлорфторуглеводороды (CFC) и другие газы, содержащие хлор, которые используются в аэрозольных упаковках, холодильниках, кондиционерах, для производства пенополиуретана, очистки деталей в электроэлектронике и т.д. Именно эти вещества, по мнению ученых, являются причиной появления озоновой дыры над Южным полюсом и аналогичной дыры в Арктике, центр которой приходится на Шпицберген.

Вред, наносимый фреоновым газом, не ограничивается только его местным действием. Самым страшным является то, что хлористые и фтористые углеводороды, не задерживаясь внизу, поднимаются в стратосферу, где могут существовать от 70 до 100 лет, уничтожая молекулы озона. Последствия даже частичного разрушения озонового слоя могут оказаться катастрофическими, так как сильные ультрафиолетовые лучи, достигающие поверхности Земли, лишенной защитного фильтра, могут вызвать большое количество заболеваний раком кожи, нанести серьезный ущерб растительности и морской экосистеме, планктону и т.п. В настоящее время действует соглашение, подписанное десятками стран, предусматривающее постепенное сокращение производства фреонового газа вплоть до полного отказа от него.

Уголь, нефть и природный газ дали толчок индустриальной эпохе, и вполне вероятно, что их будут еще использовать в огромных количествах, по крайней мере, в течение столетия. Выделяющийся в процессе горения углекислый газ вызывает гипоксию, ослабление дыхания, сердечную недостаточность. Выделяющаяся в процессе горения окись углерода обладает еще большей токсичностью и может приводить к ослаблению многих жизненных функций. По данным американского агентства по защите окружающей среды, только в США ежегодно в атмосферу выбрасывается около 20 млрд т сернистого газа. По данным Всемирной организации здоровья, свыше 1 млрд человек живут в условиях чрезвычайной концентрации в атмосфере твердых частиц. В Афинах, например, в дни повышенного загрязнения воздуха умирает людей в 6 раз больше, чем в обычные дни.

Исследования в Англии и США показывают, что из-за загрязненности воздуха большие города получают на 15% меньше солнечных лучей, на 10% больше осадков в виде дождя, града и снега. В целом загрязнение атмосферы приносит ежегодный ущерб в 18 млрд долл.

Уровень «человек — вода»

Поверхность Мирового океана составляет около 70% всей площади земного шара. Океан является огромной фильтрующей системой Земли, а также крупнейшим носителем энергии. Процессы океанических течений определяют ветры, вращение Земли, различия в плотности морской воды, вызванные колебаниями температуры и солености, количество кислорода, поступающего в атмосферу, и многие другие явления.

Большую тревогу вызывает загрязнение поверхности океана. От вредных стоков гибнут реки, озера, моря. Сточные воды очищаются лишь на половину, причем в них остаются остатки моющих средств и некоторые другие химические вещества. В загрязненной воде гибнут рыба и растения. Кислотные дожди уничтожили рыбу в Скандинавии, загрязнены Ладожское озеро и Байкал, Великие озера США и Канады, Рейн превращен в сточную канаву.

Загрязнение воды становится источником заболеваний человека — тифа, детского паралича и т.д. Попадание в воду многих химических соединений — калия, фосфора, азота и др. — способствует бурному размножению некоторых бактерий и водорослей, приводящих к истощению запасов кислорода. Большое количество воды, содержащей вредные химические соединения, попадает в Мировой океан, в котором уже находятся огромные массы пластмасс, моющих средств, ядохимикатов, радиоактивных и других веществ.

В океан ежегодно попадает 200 тыс. т свинца, 1 млн т углеводорода, около 5 тыс. т ртути, пестициды и др. Нефтяной бум привел к гигантскому росту морских перевозок нефти, быстрому расширению танкерного флота и «взрывному» увеличению размеров судов. Самый большой танкер в 1954 г. имел водоизмещение около 30 тыс. т, ныне же танкеры имеют водоизмещение более 500 тыс. т. Поток танкеров достигает максимальной густоты у побережья Африки, достаточно велик на севере Франции. Каждая катастрофа супертанкера в открытом море влечет за собой страшные экологические последствия, заключающиеся в загрязнении морской воды у побережья, пляжей, гибели морской флоры, фауны, птиц. Даже тончайший слой нефти препятствует проникновению кислорода в воду, приводит к гибели морские организмы.

Огромный вред наносят кислотные дожди. Они были обнаружены в 50-х гг. нашего столетия после создания Европейской системы контроля за химическим составом атмосферы. Это явление связано прежде всего с увеличением использования минерального топлива. Рассмотрим, что означает понятие «кислотные дожди». Кислотность соединения выражается показателем рН. Нейтрально чистая вода имеет показатель рН = 7, и он является критерием, говорящем о концентрации ионов водорода. Все показатели ниже 7 указывают на возрастание кислотности. Дождь по своей природе уже обладает кислотностью (уровень рН составляет примерно 5, 6), так как он впитывает углекислоту из углекислого газа, содержащегося в атмосфере (вспомним, как раньше мыли голову дождевой водой, чего сейчас делать совершенно нельзя). Уже здесь скрывается причина нарушения равновесия. Данные, полученные в настоящее время указывают на повышенную кислотность дождей: в Португалии рН = 4, 9; в Ирландии так же, как и в континентальной Европе, рН = 4, 1. В некоторых районах уровень рН достигает 3. В 60-х гг. в полосе от севера Франции до Скандинавии еще были более или менее нормальные показатели в дождевой воде: рН = 4+4, 5. Но дорога ветров от США и индустриальных центров действовала: в 1973—1975 гг. показатели ухудшились, снизились до 2, 7-5-3, 5 рН. В одном из районов Шотландии они уменьшились до 2, 5 рН. А это значит, что дождевая вода стала здесь как разбавленный уксус. Последствия известны: 70% озер Южной Норвегии, где пока показатель ниже 4, 3 рН, стали непригодны для рыбы. За последние годы из озер Норвегии исчезли сначала лосось, а затем и форель. Аналогичные показатели наблюдаются в Швеции, на северо-востоке США, в некоторых районах Канады. Кислотные дожди выпадают в 4, 5 тыс. километров от промышленных индустриальных очагов Северной Америки и Западной Европы. Пробы дождевой воды в районах Гавайских островов дали результаты, близкие к северо-востоку США. На территорию нашей страны через западную границу вместе с дождями ежегодно поступает более 3 млн т двуокиси серы, более 2, 4 т серной кислоты и сульфатов. Это, соответственно, в 9 и 13 раз больше, чем уходит в обратном направлении.

Повышенная кислотность наносит вред растительности. Объективные данные о том, какое воздействие загрязненные осадки оказывают на растительность, содержат материалы ежегодных наблюдений за состоянием леса, проводимые в ряде европейских стран. В отчете, например, за 1988 г., подготовленном экологической комиссией ООН, говорилось, что во всех 25 обследованных в Европе регионах есть признаки заболеваний леса, причем в 22 регионах повреждено не менее 30% общей площади лесов, а в 8 регионах — не менее половины. Всего на европейском континенте за период обследования заболеваниям было подвержено около 50 млн га леса, и эта площадь продолжает увеличиваться. В ФРГ в 70-х гг. были уничтожены целые леса за счет поражения листьев. В Голландии в 1986 г. было уничтожено 30% деревьев, а в Чехословакии и Швейцарии — 16%.

Загрязненные осадки попадают и в водоемы. Там кислоты взаимодействуют с имеющимися в данной почве металлами (алюминием, ртутью и др.), заражают ими воду, а через нее и рыбу. Попадая в водопроводы, кислоты способствуют вымыванию вредных металлов из труб, что загрязняет питьевую воду. Такие явления наблюдались в США и Швеции после выпадения кислотных дождей.

Загрязнение окружающей среды не имеет границ: воздушные массы переносят кислотные дожди из одной страны в другую, нанося огромный ущерб природе и вызывая серьезные разногласия. Самый серьезный ущерб в настоящее время нанесен Европе, но угрожающие сигналы поступают и с менее загрязненных континентов, например, из Австралии, Центральной Африки, Китая. Причиной считается минеральное топливо, выделяющее 50% серы. Самое вредное вещество — серный ангидрид, который, взаимодействуя с влажным воздухом, превращается сначала в ионизированный сульфат, а потом в сернистую кислоту. Окись азота, выделяемая тепловыми электростанциями и выхлопными газами, также способствует повышению кислотности дождей, превращаясь при взаимодействии с водяными парами в азотную кислоту. Но цепочка «дальнего воздействия», начинающаяся на заводских территориях и проходящая через осадки во внутренние воды, на этом не заканчивается. На кислых почвах в растительность активно внедряется кадмий и есть опасность попадания его в организм человека.

Уровень «человек — почва»

Обоснованную тревогу вызывает также нарушение химического равновесия в окружающей среде. Это происходит из-за больших потерь сырья при его добыче и переработке. Опасность для живых организмов и человека химического загрязнения усугубляется еще и тем, что они способны аккумулировать элементы и соединения, не участвующие в обмене веществ и не подлежащие разложению. Загрязнение окружающей среды связано и с ростом населения. Простейшая зависимость между этими факторами состоит в том, что чем выше численность населения, тем больше ущерб, который наносит окружающей среде отдельный человек.

Усиленно вырубаются леса, особенно тропические, а ведь лес — это «завод» по производству кислорода и поглощению углекислого газа, образующегося при сгорании, гниении, дыхании. Естественное загрязнение окружающей среды, вызываемое извержением вулканов, лесными пожарами и т.п., не наносило существенного ущерба биосфере, так как она обладает восстановительными функциями.

Совсем другое дело — индустриальные производства. В мире ежегодно выплавляется около 800 млрд т различных металлов, рассеивается на полях свыше 300 млн т минеральных удобрений и до 4 млн т различных ядохимикатов. Резко увеличился выход земель из сельскохозяйственного оборота, растет эрозия почвы, а значит, под угрозой производство продовольствия.

В нормальных условиях содержание кадмия в почве не выше 0, 1 мг на 1 кг, но в некоторых районах, например, в ФРГ оно доходит до 50 мг. Еженедельный журнал «Шпигель» писал, например, что в земле Северный Рейн — Вестфалия 58% обследованных сосен оцениваются как «больные», около Мюнхена, в живописном альпийском районе, столетние сосны умирают. Не выдерживает кислых дождей не только лес, но и камень: скульптуры всемирно известного Кельнского собора выветрились и пострадали за последние несколько десятков лет больше, чем за предыдущие столетия.

Цивилизация стала «цивилизацией отбросов»: каждый средний гражданин США выбрасывает за год 82 кг бумаги, 250 металлических банок, 388 бутылок — всего 1 т отбросов. К этому надо добавить 7 млн автомобилей в год, идущих на металлолом и 100 млн шин. Ориентация на индивидуальный транспорт вместо общественного продиктована автомобильными монополиями и вызвала к жизни тотальную автоматизацию со всеми ее последствиями: давлением на топливные ресурсы, среду, жизнь больших городов, задыхающихся от «транспортного коллапса».

В XIX в. люди использовали в хозяйстве около 50 видов различных видов минеральных ресурсов, ныне же их число превышает 100. К началу 90-х гг. ежегодное потребление первичного минерального сырья в мире достигало 14 млрд т, т.е. около 3 т на одного человека.

Анализ законов экологии

Сведение воедино проблемы взаимопронизывающих уровней метасистем и составляет суть экологической проблемы современности. Например, четвертый закон Коммонера: ничто не дается даром. Долгое время гидроэнергия рек считалась даровым продуктом природы. Но практика использования гигантских гидроэлектростанций выявила негативный экологический механизм: отнимая кинетическую энергию у воды, человек уменьшил скорость ее течения, а это приводит к заболачиванию рек и водохранилищ и локальному изменению климата. Вмешательство в глобальный круговорот воды оказалось не бесплатным. Такие же проблемы стоят и в атомной энергетике: расплата — раковые заболевания.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒