Физика о принципиальной возможности выхода из кризиса

Рассмотрим вопрос о допустимых антропогенных нагрузках на биосферу. Из теории сложных динамических систем, примером которой, несомненно, является биосфера, следует, что когда нагрузки на систему начинают превосходить некоторый предел (а он неизвестен для биосферы), то состояние системы теряет устойчивость, и система как бы выходит на пересечение нескольких началов эволюционного развития. Это означает, что становятся допустимыми множество новых состояний (карандаш поставленный вертикально, причем a стремится к нулю). Такие точки ветвления состояний сложной системы с потерей однозначности траектории развития называются точками бифуркации. Какой из «возможных каналов» эволюции выберет системы, по какой траектории пойдет ее развитие после точки бифуркации предсказать заранее нельзя по принципиальным соображениям. Выбор траектории развития системы зависит от большого числа случайных факторов, причем, что самое важное, малой амплитуды (теория катастроф). Таким образом, если сложная нелинейная система, какой является биосфера, теряет стабильность, то начинается ее необратимый переход в некое новое, квазистабильное состояние. Какое оно мы не знаем, и более чем, вероятно, что в этом новом состоянии параметры биосферы окажутся совсем неприемлемыми для жизни человека, например: Земля, может перейти в равновесное состояние вещества существующего на Марсе или Венере. «Чем не конец света?».

Но самое страшное, что подобный переход вызванный потерей равновесия, происходит со скоростью, возрастающей по экспоненте. Это означает, что когда катастрофа станет видна всем скептикам, то никакие наши действия уже не смогут ничего изменить.

Итак проблема стабильности биосферы - это проблема проблем, или глобальная проблема современности, имеющая всеобъемлющий международных характер.

Но и в точках бифуркации действуют законы природы. Наиболее общие из них и изучает физика. Может ли физика что-нибудь сказать о глубинной сущности идущих сейчас кризисных процессах, или даже не столько о сути процессов, а больше о направлении выхода из них. Видимо может и указывает направление выхода второе начало термодинамики, а точнее нелинейная термодинамика неравновесных процессов, иначе синергетика.

Термодинамика (термо - тепло + динамика - изменение) - первоначально возникла как наука о закономерностях превращения тепла в работу при помощи тепловых машин.

p, V, Т - макропараметры термодинамической системы.

Система находится в термодинамическом равновесии, если макропараметры, определяющие ее состояние остаются постоянными.

Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным или квазистатическим.

Равновесный процесс обратим.

Функцией состояния системы называется такая функция, которая независимо от предыстории системы в данном состоянии имеет присущее этому состоянию значение.

I - Начало термодинамики.

Количество тепла сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

Невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. двигатель, производящий работу из ничего.

Теорема Карно.

Любая тепловая машина, работающая при данных температурах, нагревателя Т₁ и холодильника Т₂, не может изменить КПД больше, чем машина работающая по обратимому циклу Карно при тех же температурах холодильника и нагревателя, причем КПД машин не зависит от рода рабочего тела, а зависит только от температуры холодильника Т₂ и нагревателя Т₁.

II - начало Термодинамики.

ð Невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель с КПД=100%.

ð Иначе, невозможно превратить все подводимое к рабочему телу тепло в работу, часть тепла необходимо передается холодильнику.

ð Энтропия изолированной системы не может убывать.

Энтропия изолированной системы является функцией состояния этой системы.

Изолированными называются системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом.

Если в изолированной системе протекает обратимый процесс, то его энтропия равна нулю, если необратимый, то энтропия возрастает.

Процесс с ростом энтропии характеризует переход системы из менее вероятного состояния в более вероятное. А более вероятное состояние характеризуется большим беспорядком. Энтропия является мерой беспорядка системы. В состоянии равновесия беспорядок системы максимальный.

Биосфера является не замкнутой, а открытой системой. За счет потока солнечной энергии энтропия биосферы может понижаться. Биосфера на протяжении многих миллионов лет упорядочивалась, повышалась ее организованность а энтропия понижалась. Благодаря фотосинтезу накапливалось органическое топливо, оно скапливалось в определенных местах, аналогично скапливались полезные ископаемые, и совсем уж “целесообразно”, благоларя естественному отбору и изменчивости видов, складывалась гармония в живой природе т.е. биосфера упорядочивалась и энтропия ее уменьшалась.

Долгое время природа, как бы, подготавливалась к разумной жизни человека. Только Человек выступил в биосфере как активный катализатор механизма бурного роста ее энтропии. Копились запасы отрицательной энтропии (органического ископаемого топлива) миллионы лет, а сжигаются весьма стремительно. В результате энтропия биосферы стала возрастать, что ведет к глобальному мировому кризису.

Примеры процессов ведущих к возрастанию энтропии биосферы, т.е. к росту раз упорядочивания системы и приближения ее к хаосу.

ü распыление полезных ископаемых по всей биосфере: например за год в нашей стране 250–260 млн.т. железа рассеивается вследствие трения, коррозии, обработки.

ü сокращаются площади пахотных (продуктивных) и просто участвующих в фотосинтезе земель (урбанизация, опустынивание, эрозия.) 1975–2000 год площадь пахотных земель сократится на 300 млн. га.

ü сокращение в атмосфере земли кислорода и увеличение содержания углекислого газа. Ежегодно из атмосферы изымается 32 млрд. т. кислорода (стр. 43).

ü

4. Физика о принципиальной возможности выхода из кризиса.

На принципиальную возможность выхода из создавшейся и усугубляющейся критической ситуации указывает второй закон термодинамики. Необходимо сначала остановить, катализируемый человеком, рост энтропии биосферы, а затем возвратить ее в состояние с постоянным уменьшением энтропии.

Ориентиром здесь служит поток энергии от Солнца на Землю. Так как поток солнечной энергии упорядочивает биосферу, направлен на понижение ее энтропии, то если встречный поток используемой человечеством энергии (количество энергии получаемой от сжигания органического топлива) не будет повышать первый, то энтропия биосферы будет уменьшаться. Лучше было бы не трогать органическое топливо, а использовать только возобновляемые источники на основе солнечной энергии. Это возможно на основе энергосберегающих технологий. В настоящее время технического прогресса и на ближайшую перспективу полностью отказаться от использования запасенных га Земле органических топливных ресурсов человечество не в состоянии. Плюс «разумное» поведение разумных существ биосферы. Превращение биосферы в ноосферу (сферу разума В.И. Вернадского).

Например, (замена ламп накаливания флюоресцентными, позволяет сократить потребляемую энергию в 4 раза, замена стекол во всех окнах США на специальные с малой теплоотдачей (уже существующих у них) позволит уже сейчас съэкономить энергии в 2 раза больше, чем ее производится сейчас за счет всей нефти Аляски (а у нас -?! А тройное остекление, а пластиковые окна, да даже оклеивание окон!) или пример технического прогресса: в 1970 году капитальные затраты на производство 1 Вт фотоэлектричества составили 150 долларов, то в 1990 году - 4,5 доллара. Результаты исследования, проводимые для Министерства энергетики США, показывают, что в ближайшие 40 лет США могут получать 57-70% потребляемой в настоящее время энергии за счет солнца, ветра, воды, геотермальных источников и биомассы (все это, в конечном счете, от Солнца). Поскольку уже сейчас, по меньшей мере, половина всей производимой на сегодняшний день энергии в этой стране, не может быть сэкономлена путем повышения эффективности ее использования, то вполне вероятно будущее, в котором всю энергию будут обеспечивать возобновляемые источники.

Итак, принципиальные возможности выхода из глобального кризиса имеются, но они требуют коллективных целенаправленных усилий всех стран. Поэтому, в настоящее время особую остроту приобретает вопрос о допустимом пределе роста мировой системы, те сколько времени у нас еще осталось для раздумий, устранения разногласий объединения своих усилий и возможностей.

Считается, что биосфера может компенсировать возмущения, производимые человеком, если доля потребления человеком не превышает 1% продукции биосферы. Однако (Лосев К.С. «Проблемы экологии России») современная доля антропогенного потребления продукции биосферы на порядок больше допустимого 1%. Анализ новейших данных и тенденций с помощью мощнейших компьютерных моделей приводит к выводу, что окружающая Среда не может выстоять, общество вышло за пределы. Если никакой коррекции не будет сделано, то «коллапс в той или иной форме не только возможен, но и неизбежен и может наступить еще при жизни сегодняшнего поколения». Д.Медоуз «Пределы роста» 1994г.).

Несмотря на осознание и понимание надвигающегося коллапса тенденции мирового развития не меняются:

ü сокращается объем производства пищевых продуктов на душу населения, прирост населения опережает. Сейчас голодает около 1 млрд. человек, или примерно каждый седьмой.

ü ежегодно вырубается 17 млн. га. тропических лесов, если даже предположить, что объемы вырубки не возрастут, то все леса исчезнут через 47 лет.

ü стремительно исчезают не возобновляемые ресурсы. По прогнозу 1998 года нефти хватит на 41 год, газа на 60 лет, угля на 326 лет.

ü весьма близким глобальным пределом является тепловое загрязнение – «парниковый эффект»;

ü состояние зеленой атмосферы продолжает ухудшаться по экспоненте;

Анализ различных сценариев развития мира на модели МИР-7.

Благоприятный сценарий:

1). 100% контроль рождаемости - 2 ребенка;

2). Промышленное производство ограничено 350 долларов на душу населения;

3). Загрязнение снизить до уровня 1975 года;

4). Самые современные технологии.