Александр Рыженков - Физика окружающей среды

Главная тема нашего обсуждения, однако, не физическая картина мира и не поэтические параллели, а влияние на процессы в окружающей среде человеческого фактора и роль физики в этом влиянии.

Трудно сказать, когда человек задумался об этом влиянии. Однако основные этапы нам известны. В философии древних эти мысли появились у Аристотеля и выражены им в «Физике», «О небе», «О возникновении и уничтожении» и «Метрологике». Так, он отмечает, что истощение земли страшнее войны и что мелиорация может принести и пользу и вред.

Основой современной науки о взаимодействии человеческого общества и природы стало учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Центральной в нем является идея о сопоставимости человеческой деятельности с крупнейшими геологическими силами: «Человечество своим трудом и своим сознательным отношением к жизни перерабатывает земную оболочку – геологическую область жизни, биосферу. Труд и сознание человека переводят ее в новое геологическое состояние, «ноосферу».

Чтобы разобраться в действии природных сил в сочетания с антропогенной силой, сделаем краткий обзор строения Земли и процессов, происходящих в ее сферах.

Земля это шарообразное твердое тело (рис. 12) со сложной внешней и внутренней структурой на 3/4 покрытое водой, окруженное газообразной оболочкой – атмосферой и неоднородным магнитным полем – магнитосферой.

Рис. 12. Схема сечения земли и магнитосферы

1. Твердое ядро. 2. Жидкое ядро. 3. Мантия. 4. Материковые плиты. 5. Радиационный пояс. 6. Силовые линии магнитного поля.

Атмосферу на схеме показать невозможно, так как ее толщина в данном масштабе должна быть менее 0,1 мм.

Атмосфера, гидросфера и литосфера не изолированы друг от друга, они находятся в динамическом взаимодействии и в то же время испытывают влияние внешних сил: гравитационного поля Солнца, Луны и планет, солнечного и космического излучения, столкновений с космическими телами. На этом фоне, человек выглядит слишком ничтожным и слабым, чтобы вмешаться в действие этих гигантов и оказать свое влияние. Но это только на первый взгляд.

Физические явления в литосфере.Земная поверхность сформировалась под действием гравитационных и тектонических сил, воздействия воды, воздушных потоков и солнечной радиации. Процесс этот продолжается, и облик Земли периодичности оледенения, большая часть Европы, Канада, север азиатского материка через 20–25 тысяч лет покрываются слоем льда.

Рис. 13. Динамика плит

Суша занимает 1/4 часть поверхности Земли, остальное Мировой океан. Материки покоятся на гранитном основании, во многих местах покрытом осадочными породами, толщина которых в некоторых местах доходит до 10–15 км. Океанское дно подстилают базальты, и на них, как ни странно, отсутствуют осадочные отложения. Это свидетельствует о сравнительно недавнем происхождении современных океанов. На поверхности материков и дне океанских впадин расположены цепи горных образований, имеющих лишь внешнее сходство. Материковые горные цепи сложены, в основном, из осадочных пород и гранита, горные цепи океанов – базальтовые и разделены, как правило, долинами или рифтами. Эти факты послужили основанием для создания современной теории плит, согласно которой внешняя часть земной коры состоит из плит, перемещающихся по верхней части мантии, При перемещении края плит надвигаются друг на друга, происходит их деформация с образованием поднятий, как Кордильеры, и рифтовых зон, как Атлантическая и Тихоокеанская. Динамика движения плит показана на рис. 13., где: 1 – плиты, 2 – подвиг, 3 – рифтовая зона, 4 – верхняя мантия, 5 – нижняя мантия. Дно океана раздвигается под действием конвекционных потоков в мантии обусловленных теп лом, выделяющимся в недрах при радиоактивном распаде некоторых элементов, химических реакциях и действии некоторых других факторов. Предполагается, что основная часть тепла выделяется в земном ядре, температура которого коло 7000 °C. Температура земной коры повышается на 30 °C с каждым километром глубины, начиная с его поверхности. Подсчитаем мощность теплового потока достигающего поверхности и передаваемого атмосфере.

Р = kS dT/dz = 3×10 13Вт,

где k – коэффициент теплопроводности, базальт = 2 Вт/ (м×К), S – площадь земной поверхности; dT/dz – градиент температуры, равный примерно 0,03 К/м.

По этой формуле мощность теплового излучения в окружающую среду квадратным метром поверхности равна 0,06 Вт. Экспериментальные исследования Э. Булларда из Кембриджского университета для разных точек земной поверхности дали чуть большее значение. При этом температура поверхности без уюта энергии излучения Солнца бы всего лишь 30 К! Вывод сделайте сами.

Сравним тепловыделение земной поверхности с количеством тепла, выделяемым человеческим обществом. Потребность человечества в энергии по прогнозу А. Макдональда на 2030 год равна 22,4×10 12–35,7×10 12Вт. Даже если предположить, что только одна треть этой энергии будет превращена в тепло, то ее величина сопоставима с тектоническим теплом.

Основой для создания современной науки о поверхности Земли послужили многочисленные измерения и наблюдения за поверхностью Земли, дном океанов, глубинная сейсморазведка, аэрофотосъемка, измерение магнитного поля Земли и особенно его аномалий и т. п.

Достаточно хорошо о строении Земли и физических методах ее исследования написано в книгах [7, 8]. Здесь сделан лишь поверхностный экскурс в геофизику только для того, что бы обрисовать фон, на котором развивается человеческая деятельность.

Воздействие человека на верхнюю часть коры проявилось при строительстве городов, прокладке дорог и каналов, устройстве шахт и открытых разработок, разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, мелиорации и использовании подземных вод.

Так, например, использование вод рек Сыр-Дарьи и Аму-Дарьи на орошение привело к падению на 13 метров уровня Аральского моря, при этом обнажились тысячи квадратных километров дна, покрытого солью. Давление, оказываемое на поверхностные слои земли при градостроительстве и особенно при сооружении высотных плотин, довольно значительно. Каждое 5-этажное здание весит 15 тысяч тонн, многоэтажное в десятки раз больше. Известно довольно много случаев разрушения и просадки зданий в результате повышенного давления на грунт в сочетании с интенсивной откачкой артезианских вод.

Многие угольные и рудные шахты уходят в глубь Земли более чем на 1 км, глубина некоторых достигает 4 км. При горных выработках образуются пустоты, поверхность земли покрывается отвалами отработанной породы терриконами. Ежегодно в мире добывается 15–18 млрд. м 3горных пород и только 5 % идет на выпуск товарной продукции. Количество перемещенных пород при проведении горных и строительных работ сравнимо с объемом материала, переносимого всеми реками Земли. Особенно значительные нарушения поверхности наносят открытые выработки типа Курской магнитной аномалии или Канско-Ачинского бассейна.