Методология геологических наук

В естественных науках принято выделять объект изучения и метод конкретной науки. С объектом исследования геологии относительно просто. Это наша планета и, прежде всего, ее внешняя твердая оболочка – земная кора. В то же время геологии наука историческая, наука об истории Земли. Следовательно, в ней есть «шкала времени». Наконец, как наука естественная, она стремится подойти к объекту своего изучения с числом и мерой.

Для получения всех этих данных геологии активно пользуется методами широкого круга других естественнонаучных дисциплин: физики, аналитической и физической хи­мии, термодинамики, биологии со всеми их многообразными разветвлениями. Но Земля и ее кора не изолированы от окружающего ее мира. Поэтому геологию интересует и все материальное и информационное окружение непосредственного объекта своего изучения. От него в значительной мере зависит поведение центрального объекта изучения. Без его учета невозможно надежное восстановление истории развития, а, следовательно, и прогноз будущего, даже ближайшего. Но центральным ядром науки геология остается земная кора.

Это в глобальном аспекте. Внутри коры она изучает распределение геологических комплексов, горных пород, конкретных минеральных видов. В сфере ее внимания воздушные потоки атмосферы, наземная и подземная гидросфера, живое вещество планеты. Все эти естественные тела существуют не каждый в отдельности, а во взаимосвязи.

В самое последнее время наряду с естественными природными телами в сферу геологических исследований вошли и техногенные образования, начинающие играть все большую роль в распределении и миграции элементов земной коры, соизмеримую с действием отдельных природных сил.

Взаимодействие широкого круга методов разных наук, сконцентрированное на одном уникальном объекте, в котором мы родились и существуем, на отдельных его телах, определяет целостность самой науки, ее координирующую роль в познании реального строения и законов развития нашей планеты. «Синтетическое изучение объектов природы - ее естественных тел и ее самой как «целое» - неизбежно открывает черты строения, упускаемые при аналитическом подходе к ним, и дает новое. Этот синтетический подход характерен для нашего времени»[[9]] в научных и философских исканиях. Случайное и неважное в глазах ученых одного десятилетия получает в глазах другого нередко крупное и глубокое значение; в то же время блекнут и стираются ранее установившиеся вехи научного сознания.

Конкретно мы изучаем не земную кору в целом, а слагающие ее естественные тела. «Естественным телом - по определению В.И.Вернадского - мы будем называть всякий логически ограниченный от окружающего предмет, образовавшийся в результате закономерных природных процессов... Таким естественным телом будет каждая горная порода (и формы ее нахождения - батолит, шток, пласт и т.д.), будет всякий минерал (и формы его нахождения), всякий организм, как индивид и как сложная колония, биоценоз (простой и сложный), всякая почва, ил и т.д., клетка. ядро ее, ген, атом, электрон... - миллионы миллионов всевозможных естественных тел …» [[10]].

Наука начинается с выделения естественных природных тел. Но при дальнейшей научной работе важно учитывать, что мы оперируем не реально существующими телами, а только отвечающими им понятиями. Реальные тела мы изучаем. Понятие, отвечающее естественному природному телу, не есть что-нибудь постоянное и неизменное. Оно меняется, иногда очень существенно, с ходом научной работы, с ходом жизни нашей цивилизации. Но слово, отвечающее понятию естественного тела, может сохраняться века и тысячелетия. Так слово «атом» сохраняется с глубокой древности, но понятие «атом», которое обозначает это слово, во времена Аристотеля и в наше время существенно различаются между собой.

Таким образом, необходимо различать объект геологических исследований, как реально существующее природное тело, и объект, как некоторое логическое понятие, образованное в результате его разностороннего изучения. Первое консервативно, относительно устойчиво; второе постоянно меняется и совершенствуется по мере развития исследований и нашего общего геологического знания. Первое - материально и существует независимо от субъективных ощущений; второе составляет его информационное поле и меняется в ходе развития наших знаний. К первой категории относятся конкретные образцы (пород, руд, минералов и т.п.), тесно связанные с самим естественным материальным природным телом. Ко второй - описания, карты, схемы, результаты анализов, модели, гипотезы, теории и т.д.

Эмпирические факты и эмпирические обобщения. Фундамент, на котором зиждутся все наши научные построения, – это эмпирические факты. Эмпирические факты, полученные в результате непосредственных наблюдений, по своему определению единичны и всегда истинны, сами по себе, но не всегда в нашей интерпретации. Их множество безгранично. Но разрозненные факты трудно использовать в науке и практике.

Отдельные эмпирические факты, не связанные в систему, еще не создают знания. Вот почему доказательства по типу «выборочных примеров», часто используемые в геологической литературе, довольно слабые доказательства. Из множества отдельных фактов обычно можно выбрать отдельные, позволяющие делать различные интерпретации.

Устойчиво повторяющиеся эмпирические факты, объединенные в некоторое множество, составляют уже эмпирические обобщения, которые и позволяют проводить дальнейшие операции, строить более сложные системы и получать практические результаты. При этом необходимо учитывать, что истинность эмпирических обобщений не безгранична. Все они имеют некоторую область устойчивости, внутри которой обнаруживают закономерную статистическую плотность распределения отдельных характеристик.

Так, если минералогический или химический состав конкретного образца горной породы дает нам эмпирический факт, то средний состав пород, полученный из многих анализов, с установленными пределами колебаний отдельных компонентов, является типичным эмпирическим обобщением. Примером может служить средний минеральный или химический состав гранита или любой другой горной породы. И как бы ни менялись наши представления о происхождении этого типа пород, эти значения могут только уточняться, всегда оставаясь фундаментальным эмпирическим обобщением.

Эмпирические обобщения опираются на факты, и выводятся индуктивным путем, не выходя за их пределы. Они могут долго не находиться в согласии с другими существующими представлениями о природе, не поддаваться никаким гипотетическим объяснениям, являясь непонятными, и все же оказывать благотворное влияние на развитие науки и техники, заставляя искать их место в общей системе знаний и даже использоваться в практической деятельности. Мы до сих пор не знаем природу гравитации, но активно используем эмпирические значения гравитационных постоянных.

Итак, надежный фундамент науки – это эмпирические факты и, полученные на их основе, эмпирические обобщения.

Наиболее общие эмпирические обобщения, кладущиеся в основу многих дальнейших теоретических построений, обычно выступают в качестве научных принципов.

Наконец, самые широкие принципы, очевидность которых не подвергается сомнению, постоянно подтверждается практикой, отрабатываются поколениями, возводятся в ранг аксиом.

Научные объяснения, гипотезы, модели также являются одним из трех китов научного знания, но отличным от двух предыдущих, и составляют иной блок научного знания. Гипотеза – научная теория, предположение, связывающее в единую логическую цепочку отдельные факторы, догадки и наблюдения и дающее им объяснение. Гипотезы совершенно неизбежны и необходимы для развития науки. Без них ученые просто бы погрязли в сумме отдельных фактов. Научные гипотезы влияют на сбор новых эмпирических фактов, их критику, систематизацию и обобщения. Да и сам научный аппарат создается благодаря научным теориям и научным гипотезам. И в то же время, несмотря на то огромное влияние, которое они оказывают на научную мысль и научную работу данного момента, они всегда ограничены и преходящи. Их нельзя идеализировать, и они не должны являться догмами. В отличие от фактов и обобщений, которые, если они правильно выведены, остаются неизменными в любой теоретической системе и исторически переходят из одной теории в другую, научные объяснения (гипотезы, теории, модели) это «наши мимолетные творения разума». Они с необходимостью изменяются по мере накопления новых эмпирических данных, в ходе эволюции научного знания.

История развития геологии прекрасно иллюстрирует смену геологических парадигм по мере накопления новых фактических данных и зависимость появления последних от развития технических возможностей цивилизации.

Система научного знания. Если схематически изобразить всю цепочку получения и преобразования научного знания, то ее можно изобразить в виде схемы (рис.1.1).

В начале цепочки лежит непосредственное наблюдение природных объектов или их откликов на те или иные естественные и техногенные воздействия. В результате этих процедур формируется сумма эмпирических фактов. Они многочисленны, разрозненны и иногда противоречивы. Они нуждаются в систематизации и обобщении.

На этой базе формируются эмпирические обобщения, суммирующие отдельные эмпирические факты, устойчивые в определенных условиях с некоторой долей вероятности. Последние два условия (область реализации и доверительный интервал) ограничивают сферу применимости любого эмпирического обобщения. Сами эмпирические обобщения наиболее устойчивы и сохраняются при изменении теоретических обобщений, но могут уточняться по мере накопления новых эмпирических фактов. В процессе своего формирования они многократно проверяются путем сопоставления с природными объектами через наблюдения и измерения по принципу обратной связи Данная стадия формирования научного знания весьма ответственна и совершенно необходима для построения научного объяснения. Все попытки ее игнорирования и построения теоретических моделей на базе отдельных фактов (метод «выборочных примеров»), показанный на схеме пунктирной линией, часто приводит к печальным результатам, чреваты искажением общего процесса и созданием иллюзии знания.

На базе эмпирических обобщений исторически формируются научные принципы, постулаты и аксиомы. Это наиболее устойчивые эмпирические обобщения с широкой сферой применимости. Их влияние не ограничивается процессом формирования научных объяснений. По принципу обратной связи они направляют исходный процесс наблюдений и измерений. На эту же процедуру влияют и создающиеся на каждый данный момент теоретические представления.

Особое значение теорий заключается еще и в том, что именно через них вся система научного знания работает на ее практическое применение (на рис.1.1 эта область выделена пунктиром).

ГЛАВА 2. ЗЕМЛЯ И КОСМОС

За последнее время мировая наука с помощью сверхмощных телескопов и космических аппаратов получила целый ряд новых принципиальных данных по ближнему и дальнему Космосу. Эти результаты позволяют по-новому оценить многие вопросы истории развития нашей планеты и влиянии космических факторов на ее развитие. К этим вопросам мы будем неоднократно обращаться в ходе дальнейшего изложения материалов.

Состав и строение Земли.

Земля – одна из планет Солнечной системы, состоящей из звезды (Солнце), планет, их спутников, а также космического мусора (астероидов, комет и метеоритов). Солнце является лишь одной из звёзд нашей Галактики, которая заключает в себе, вероятно, более 10¹¹ звезд и имеет линзообразную форму с диаметром около 70 тыс. световых лет. Помимо нашей Галактики имеется очень большое число звездных систем приблизительно того же размера. Эти системы, внегалактические туманности, довольно равномерно рассеяны в космическом пространстве; ближайшая к нам туманность Андромеды находится на расстоянии около 1 млн. световых лет.

Современные данные по распространенности главных химических элементов в космосе и по отдельным группам объектов представлены на рисунке 2.1.

Солнечная система состоит: из одной звезды (Солнце), девяти планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), более 61 спутника (каждый год открываются все новые), более миллиона комет и астероидов. Предполагают, что за Плутоном могут находиться новые планеты. Пространство между планетами заполнено крайне разреженным газом и космической пылью. В пределах Солнечной системы расположено 4 внутренних планет (молодых, ближних) (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и 5 внешних планет (старых, дальних) (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов (так называемые «малые планеты»). Радиус всей Солнечной системы предположительно составляет около 600 а.е.[11]. Это пространство имеет 3 «зоны влияния»:

1) от 0 до 2 а.е. - здесь располагаются 4 внутренние планеты. В этом пространстве наиболее сильное влияние оказывает «солнечный ветер», препятствующий проникновению жесткого космического излучения;

2) от 2 до 40 а.е. – зона 5-ти внешних планет, где действует жесткое космическое излучение;

3) от 40 до 600 а.е. – здесь могут находиться новые планеты, эта зона особого жесткого космического излучения.

Солнце

Солнце - самый большой объект Солнечной системы, содержащий 99,8% массы всей Солнечной системы. Это раскаленная звезда, входящая, как и все звезды, видимые на небе, в состав нашей звездной системы – Галактики. Солнце является гигантским источником столь необходимой людям энергии**. Внутренняя температура Солнца достигает 15·10^{6 0}К.

Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли. А масса его примерно в 333 000 раз превышает массу нашей планеты. Сила тяжести на его поверхности в 28 раз больше земной. Масса всех планет составляет всего лишь около 0,1% от массы Солнца. Поэтому Солнце силой своего притяжения управляет их движением. Увеличение орбитального периода Солнца может говорить и об увеличении массы Солнца, а также об увеличении радиуса орбиты Солнца и об уменьшении скорости обращения его.

Зоны Солнца. Солнце состоит из 2 крупных сфер:

1) недра – это сфера энерговыделения, состоящая из 3 зон: сверхплотного ядра, лучистого ядра, конвективной зоны;

2) атмосфера (состоящая из фотосферы, хромосферы и короны). Температура атмосферы равна около 6 тыс., а недр 15 тыс. ⁰К. Корона (внешняя часть солнечной атмосферы) испускает в пространство «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц), скоростью которого 300-600 км/с. С ним уносится заметная часть энергии Солнца.

“Солнечный ветер” доходит до Земли за 1-5 суток. При увеличении активности Солнца (СА) скорость “ветра” увеличивается в 1,5-2 раза.

Солнечная активность (СА) – совокупность нестационарных явлений на Солнце, а также совокупность таких областей.

Считается, что энергия Солнца в глобальном масштабе за последние 1-3 млрд. лет оставалась практически неизменной, но наблюдались периодические изменения (колебания) СА примерно на 1-4%. Согласно данным СА имеет ритмический (циклический) характер. За 250 последних лет выявлены более 100 циклов СА разной продолжительности.

Солнцу присущи циклы от нескольких минут до миллиардов лет. Наиболее известен 11-летний цикл. В настоящее время (с конца 20-го века) на Солнце происходит всплеск СА с циклом в 250 лет.

Активность Солнца определяется более тридцатью индексами, которые фиксируют вспышки, магнитные бури и т.д. Но наиболее распространен и изучен индекс числа Вольфа (W), который учитывает пятна на Солнце. Этот индекс имеет и самый продолжительный ряд научных наблюдений (с 1747 года). Среднее ежедневное значение его за этот период составило 52 ед.

Рис. 2.2. Солнечная активность за 250 последних лет (по числам Вольфа)

Среднее СА за последние 100 лет возросло почти в 1,5 раза. Пик активности пришелся на конец 20-го века. Это дало основанию предположить, что именно СА повлияло на изменения климата планеты.

Планеты

Планеты («планэтэс» - с греч. «блуждающий») относятся к структурной массе Космоса – к ее скрытой массе (так как светятся отраженным светом). Планеты присутствуют не только в Солнечной системе, но и около многих звезд Галактики. Размеры планет относительно Солнца невелики. Так Меркурий меньше Солнца почти в 300 раз. Планеты Солнечной системы имеют общие свойства и некоторые различия. Современная астрономия делит их на две группы (внешние и внутренние), резко отличающиеся между собой размерами, плотностью и расстоянием до Солнца (рис. 2.3.)(табл. 2.1.):

- внутренние планеты - Меркурий, Венера, Марс и Земля. Их иногда называют планетами земного типа. Они (как и Земля) сравнительно небольшого размера, являются твердыми телами (в основном силикатно-железистого состава);

- внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Их иногда называют дальними планетами.

Инсоляция (солнечная постоянная) - поток прямого излучения от Солнца, приходящийся на единицу поверхности планеты (измеряется в вт/м²). Инсоляция уменьшается по мере удаления планеты от Солнца. До Плутона солнечные лучи практически не доходят, и его инсоляция почти равна нулю (на этой планете присутствует полная темнота).

Альбедо - доля отраженного планетой солнечного света. Она зависит не только от отраженного солнечного света, но и от излучения (свечения) самой планеты.

«Парад планет» (оппозиция и противостояние) - линейная конфигурация или положение планет, при которой планеты располагаются относительно Солнца по одну или обе стороны, создавая цепочку. Парад планет - явление редкое, большой парад (когда все планеты выстраиваются в цепочку) случается примерно раз в несколько миллионов лет.