Г.Н. БЕЛОЗЕРСКИЙ

ВВЕДЕНИЕ

В ГЛОБАЛЬНУЮ

ЭКОЛОГИЮ

t

Учебник

Издательство С.-Петербургского университета
2001
УДК 911+523.03

ББК 26.21

Б43

•Федеральная программа книгоиздания России»

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. К.А. Гриднев, д-р физ.-мат.
наук, проф. В.П. Раманов (СПбГУ), д-р биол. наук
Э.И. Слепян (Центр экологических экспертиз)

Печатается по постановлению
Редакционно-издательского совета
С.-Петербургского государственного университета

Белозерский Г.Н.

Б43 Введение в глобальную экологию. Учебник. — СПб.:
Изд-во C.-Петерб. ун-та, 2001. — 464 с.

ISBN 5-288-02179-1

В книге изложены основы применения термодинамики для целей
экологии, исходя из универсального характера законов термодинами-
ки. Уделено внимание системам, далеким от равновесия, в которых
малый сигнал на входе может вызвать сильный отклик на выходе, а
также процессам самоорганизации. Показана связь между такими об-
ластями знаний, как теория относительности и экология. Даны необ-
ходимые знания о происхождении и строении Земли и окружающем
космическом пространстве для адекватного представления о глобаль-
ных экологических проблемах и путях стабилизации биосферы в усло-
виях мощных антропогенных воздействий, которое требует понима-
ния природы солнечной системы, ее места во Вселенной, ее эволюции
и влияния на биосферу. Все это необходимо для сознательного плани-
рования потребностей человечества в пространстве и материальных
ресурсах, для понимания реальности таких угроз, как возможное из-
менение климата или астероидная опасность, а также для анализа
цикличности эволюционных процессов в биосфере.

Учебник предназначен для студентов и аспирантов факультетов
географии и геоэкологии и других естественных факультетов универ-
ситетов.

Тем. план 1999 г., № 80	ББК 26.21

В оформлении обложки использована иллюстрация
из журнала «Nature», 2001, vol. 410.

© Г.Н. Белозерский, 2001

© Издательство

С.-Петербургского

ISBN 5-288-02179-1	университета, 2001
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.................................................6

Списои обозначении..........................................8

Введение. Предмет глобальной экологии......................12

Глава 1. Некоторые вопросы аксиоматики биосферы

1.1.	Возникновение глобальных экологических проблем..19

1.2.	Представления о сферах..........................23

1.3.	Биосфера и подходы к ее изучению................28

1.4.	Подход В.И. Вернадского к изучению биосферы.....34

1.5.	Биогеоценоз и биогеоценотический покров Земли...43

1.6.	Представление о биосфере П. Тейяра де Шардена и возник-
новение понятия ноосфера..............................46

1.7.	Представления В.И. Вернадского о ноосфере.......56

1.8.	Законы, принципы и правила функционирования биосферы..60

Глава 2. Основы термодинамики и представления
об энергии

2.1.	Термодинамика и экология...........................64

2.2.	Возникновение учения о теплоте.....................70

2.3.	Основные понятия термодинамики и нулевое начало....74

2.4.	Первое начало термодинамики........................80

2.5.	Современные представления об энергии...............85

2.6.	Второе начало термодинамики........................88

2.7.	Формула Больцмана.................................101

2.8.	Коэффициент полезного действия и качество энергии.104

2.9.	Равновесные состояния и обратимые процессы........110

2.10.	Термодинамические потенциалы.....................115

2.11.	Максимально возможная работа. Эксергия...........122

2.12.	Потоки эксергии..................................130

2.13.	Принцип Ле Шателье-Брауна........................141

2.14.	Противоречия между классической термодинамикой
и эволюцией..........................................144

2.15.	Концепция эволюции Э. Шредингера.................151
Глава 3. Термодинамика необратимых процессов

3.1.	Термодинамика необратимых процессов в слабо неравновес-
ной области..........................................156

3.2.	Термодинамика необратимых процессов в сильно неравно-
весной области. Работы школы И. Пригожина............164

3.3.	Необратимость, порядок и хаос....................174

3.4.	Самоорганизация и синергетика....................178

3.5.	Примеры непредсказуемого поведения системы.......186

Глава 4. Возникновение и эволюция Вселенной

4.1.	Сведения об окружающем нас мире..................196

4.2.	Закон Хаббла и расширяющаяся Вселенная...........200

4.3.	Реликтовое излучение.............................208

4.4.	Диаграмма Герцшпрунга-Рессела....................213

4.5.	Процессы и закономерности, определяющие эволюцию
Вселенной............................................216

4.6.	Некоторые подходы к оценки временной зависимости
параметров эволюции..................................223

4.7.	Начало эволюции Вселенной........................227

4.8.	Инфляция.........................................229

4.9.	Первичный химический состав Вселенной............232

4.10.	Проблема возраста Вселенной.....................240

4.11.	Представления о плотности вещества во Вселенной.243

4.12.	Гравитационная неустойчивость...................248

4.13.	Проблемы, возникающие при описании Вселенной....257

4.14.	Галактики.....................................  259

Глава 5. Образование Солнечной системы

5.1.	Образование звезд................................270

5.2.	Солнце...........................................274

5.3.	Сверхновые звезды................................283

5.4.	Спокойное Солнце...............................  292

5.5.	Солнечная активность.............................301

5.6.	Солнечные циклы и солнечная постоянная...........309

Глава б. Образование Земли, биосферы и некоторые
глобальные экологические проблемы

6.1.	Образование Земли и других планет Солнечной системы.316

6.2.	Строение Земли и ее ближайшее окружение..........328

6.3.	Энергетические и энтропийные потоки. Энтропийный
кризис...............................................339

6.4.	Проблемы глобального изменения климата...........346

6.5.	Атмосфера как среда, через которую передаются внешние
воздействия на биосферу..............................361

6.6.	Магнитосфера как среда, через которую передаются внеш-
ние воздействия на биосферу..........................373

6.7.	Воздействие солнечной активности и других космофизиче-

ских факторов на процессы, протекающие на Земле....385

Заключение..................................................400
Приложения

ГП. Некоторые представления П. Тейяра де Шардена, использо-
ванные им при создании учения о биосфере и ее эволюции...409

П2. Системы единиц, основные параметры.................414

ПЗ. Параметры и константы, характеризующие окружающий
нас мир..........................................417

П4. Уравнение состояния газа и работа, им производимая.432

П5. Излучение абсолютно черного тела...................436

Пб. Эффект Доплера.....................................444

П7. Соотношения между массой, энергией и температурой чер-
ного тела........................................445

Список рекомендованной литературы по разделам

Авторский указатель....................................452

Список сокращений......................................454

Предметный указатель...................................455
ПРЕДИСЛОВИЕ

Как известно, география — междисциплинарная отрасль
знаний, связанная с изучением Земли, включая ее климат,
гидросферу, формы рельефа и биоту, а также процессы пре-
образования биосферы в результате человеческой деятельно-
сти. Постоянный интерес географии к проблеме «человек —
Земля» и особое внимание к отношениям «общество — среда
его обитания» привели к тому, что проблемы глобальной эко-
логии стали ее весомой частью. От их решения зависит суще-
ствование человечества и всей биосферы в ее современном
виде. Важны не только и не столько катастрофические за-
грязнения окружающей среды, сколько социальные факторы
(рост населения и разрыв в уровне развития разных стран).

Соизмеримость используемых человечеством для своего
существования энергозатрат с энергоемкостью всех био-
сферных процессов вызывает опасения нарушения стацио-
нарности биосферы. Глобальная экология призвана изучать
изменения природной среды и разрабатывать необходимую
для этого аксиоматику. В этом отношении представляется
естественным обучение студентов основам термодинамики
как феноменологической науки, находящей широкое приме-
нение при решении экологических задач.

В рамках больших отрезков времени проблемы окру-
жающей среды никогда не были статичны. Они всегда изме-
нялись и были привязаны к определенным территориям. В то
же время возможности Земли для обитания на ней человека
ограничены ее физико-химическими параметрами планеты
Солнечной системы. Оценкам возможности Земли в этом от-
ношении посвящены две главы данного учебника.
Представление об энтропийном кризисе, данное во вто-
рой главе, позволяет наглядно показать, что богатые страны,
вероятно, могут решить проблемы охраны окружающей сре-
ды на своей территории, но они не могут это сделать повсе-
местно, и, более того, такие решения, в конечном итоге, осу-
ществляются за счет других стран и народов, т. е. «лечение
руки не исцеляет печени или глаз». Понимание роли колос-
сально возросших средств воздействия человечества на био-
сферу должно базироваться на знании природы окружающе-
го нас мира и направления его эволюции. Возможность непо-
средственного воздействия солнечной или другой космиче-
ской активности на процессы, происходящие на Земле, про-
должает оставаться интригующей всех проблемой, и ей так-
же уделено место в учебнике.

Содержание курса лекций по глобальной экологии кор-
ректировалось на протяжении рада лет в соответствии с по-
желаниями студентов и коллег, из которых мне особенно хо-
телось бы выделить профессора В.Г. Морачевского. Рассмот-
рение широкого спектра проблем, естественно, сопровожда-
лось многочисленными обсуждениями со специалистами в
соответствующих областях. Однако в первую очередь я хотел
бы выразить свою признательность жене— Людмиле Пав-
ловне, которая не только проделала огромную работу, свя-
занную с подготовкой рукописи к печати, но и была первым
читателем, критиком и советчиком.

Профессор Д.А. Варшалович уделил много времени обсуж-
дению космической тематики, связанной с глобальными эко-
логическими проблемами, за что я выражаю ему мою глубокую
благодарность. Мне приятно также выразить благодарность
профессорам В.Г. Горшкову, К.А. Гридневу, И.И. Канаеву,
М.И. Пудовкину, В.С. Семенову, Э.И. Слепяну, В.Г. Нагнибеде,
В.П. Романову, К.В. Холщевникову, А.К. Щекину, а также стар-
шим научным сотрудникам С.А. Грибу, Е.Ш. Гугшабашу,
В.П. Кулешу, Ю.А. Наговицыну за обсуждения и ценные для
меня советы.
УКАЗАТЕЛЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ

К главе 1

а —атмосфера 32

b — биотический фактор 31

с/ —климат 31

d — свойства животных 31

h — гидросфера 32

I — некоторые свойства экосистемы 31

L — состояние системы 31

р — горные (подстилающие) породы 31

— потоки внешних воздействий 31

г — рельеф, топография 31

з — свойства почвы (пед осферы) 31

t — время (период формирования почвы) 29

v — вегетационные свойства 31

z — внешние движущие силы 32

Г — горные породы 29

К — климат 29

О — организмы 29

П — почва 29

Р — рельеф 29

В остальных главах

а — ускорение 205

А — ампер 414

А — атомная масса 290, 416

— работа 82, 433

А — интегральное альбедо 341,432

В	— энергетический баланс Земли 340

с	—теплоемкость 82

с — скорость света 218

С — коэффициент пропорциональности 108

Со — кривизна пространства 206

Е	— энергия системы 84

Еа — полная энергия покоящегося объекта 445

Еип — кинетическая энергия тела 81

Еры — потенциальная энергия тела 81

Ёиолех— средняя кинетическая энергия молекул 83

F — свободная энергия Гельмгольца 116

Fo — сила тяготения Ньютона 250

Fp	— сила давления 250

Fio.7 — поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см 310

f»	— поток инфракрасной радиации с единицы площади 341

fi> —солнечная постоянная 277

д	— ускорение силы тяжести 81

G — гравитационная постоянная 205,218

— связанная энергия
h — высота 81

h — постоянная Планка, tl= h/2it 218, 437

H — постоянная Хаббла 203

—	тепловая функция (энтальпия) 116

J	— механический эквивалент теплоты 83

—	поток энергии с единицы поверхности черного тела 439

J,	— термодинамические потоки 158

к	— постоянная Больцмана 83

I	— количество информации 192

L	— интенсивность излучения энтропии 441

— Планковская длина 218

Lik — коэффициенты Онсагера 159

L© — светимость Солнца 210

т — масса системы 77

—	масса галактики 205

пи, — масса покоя 445

—массаэлектрона 246, 417

тр — Планковская масса 219

М» — масса Земли 324

Me —массаСолнца 213

ЛГсо — масса углеродно-кислородного ядра (СО-ядра) 284

Мне — масса железного ядра 284

Мр — масса протона 417

Мп — масса нейтрона 417

Мдишс,—Джинсовская масса 251

п — число частиц, выраженное в молях 128

—	число галактик в скоплении 243

—	число молей 78

N — число нейтронов в ядре 291

—	полное число фотонов в единице объема излучения черного тела 440

—	число спутников планет Солнечной системы 324

—	независимая переменная 120

—	число частиц 243

Na — число Авогадро 83

р — давление 77

Р — производство энтропии 99, 165

&Р — функционал “избыточное производство энтропии” 166

Репуп — период синодического вращения Солнца 418

q — параметр замедления 244

Q — количество теплоты в калориях 82

г — расстояние от планеты до Солнца 324

R	— универсальная газовая постоянная 83

—	расстояние между галактиками 203

—	радиусы планет 324

Шжяиса — критический размер Джинса 250

Rr — область, где энергия магнитного поля Солнца доминирует 309
Rik — матрица, обратная по отношению к 1л 159

/?(t) — масштабный фактор 206, 222

R(t) — путь, пройденный за время t 199

Ra — радиус Земли 324

Re — радиус Солнца 275

Rea — расстояние от Солнца до Земли 341

S — энтропия 89, 95

S — отношение числа фотонов к числу нуклонов во Вселенной 210

S" — объемная плотность излученной энтропии 441

to — время Хаббла 207

tp	— Планковское время 219

Т	— температура 77

Teentrai — температура в центре Солнца 418

?<# — эффективная температура звезды 213

Ttr — тройная точка воды 80

Taeff — эффективная температура Земли 341

Toe# — эффективная температура Солнца 277

Tasurf — температура поверхности Земли 341

7*пор — пороговая температура рождения электрон-позитронных пар 221

Ti’nop — пороговая температура рождения пар нуклонов 225

Ре# — эффективная температура микроволнового излучения 210

Тхол — температура охлаждаемого объекта 108

Тгор — температура горячего резервуара для сброса теплоты 108

и — плотность энергии излучения черного тела 439

U — внутренняя энергия системы 83

v —скорость 81,203

Vesc — вторая космическая скорость 208

V — объем 77

Vo — объемная плотность галактик 417

V© —объем Солнца 418

W —мощность 108

W — статистический вес макроскопического состояния подсистемы 101

Xi и Xi,e — параметры, характеризующие систему и среду 75

Xie — термодинамические силы 158

z — параметр, определяющий красное смещение 445

Z — металличность 265

5Q/ Т— приведенное количество теплоты 95

ДЕи„ — изменение кинетической энергии системы 82

ДВро! — изменение потенциальной энергии системы 82

АЛ. —Доплеровский сдвиг длины волны 203

ДТ — парниковый эффект 349
ex,r(ev,^ — спектральная плотность равновесного излучения 437

С — эксергия 127

т] — коэффициент полезного действия 104

&	— угол наклона оси вращения планеты к плоскости эклиптики 317

X —длинаволны 441

— параметр, характеризующий процесс 168

Хо — длина волны излучения, испускаемого источником 444

Ло- — критическое значение параметра 169

Лтох — длина волны, соответствующая максимуму излучения 210, 440

Лер — усредненная по спектру длина волны излучения 440

Л — космологическая постоянная 231

ц — химический потенциал 122

v — частота регистрируемого излучения 444

Vo — частота излучения, испускаемого источником 444

р — плотность 324

ро — полная средняя плотность вещества во Вселенной 245

Peenirai— плотность ядра Солнца 418

р<г — критическая плотность Вселенной 208

ро — средняя плотность вещества галактик 252

р» — ядерная плотность 220

рт>т — плотность воздуха при нормальных условиях 293

рР — плотность материи через время tp 219

pmd — плотность энергии излучения 440

р® — средняя плотность Земли 324

р® — средняя плотность Солнца 277, 418

р* — плотность сжимающегося облака 254

а — скорость возникновения энтропии 159

ав — Стефана-Больцмана постоянная 341

аз — производство энтропии, отнесенное к единице площади 99

csv — скорость производства энтропии в единице объема 99

Ф — скалярное поле 231

Ф — свободная энергия Гиббса 116

Фтпег — поток теплоты, приходящий из недр планеты 340

Фе — поток энергии тепловой радиации, излучаемый планетой 340

Ф® — поток энергии солнечной радиации, поглощаемый планетой 340

П — параметр плотности 244

Пьаг — плотность, обусловленная барионами 245

П ех<я — плотность, обусловленная невидимым веществом 245

Пт — плотность, обусловленная веществом 245

О® — угловая скорость вращения Земли 426
ВВЕДЕНИЕ

Предмет глобальной экодогнн

В 1866 г. Э. Геккель ввел в биологию термин «экология» и
определил ее как «науку о взаимоотношениях организмов меж-
ду собой... как ...физиологию взаимоотношений организмов со
средой и друг с другом». Так как экология возникла как биоло-
гическая наука, то и ее классическое определение естественно
почерпнуть из соответствующих энциклопедических статей.
Экология— это наука, изучающая организацию и функциони-
рование надорганизменных систем различных уровней: попу-
ляций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и
биосферы; наука о взаимоотношениях организмов между собой
и с окружающей средой1.

В экологии начали складываться два направления. Пер-
вое — аутэкология, которую можно рассматривать как клас-
сическую экологию: экспериментальную и идущую от част-
ных фактов к обобщающим положениям. Для нее характер-
ны количественные оценки и эксперименты как на натуре,
так и в лаборатории. Для второго направления — синэколо-
гии — характерными чертами были дедукция, философия и
описательность. Современные точные науки привели к вне-
дрению в нее новых методов изучения сложных систем и
проведению экспериментальных исследований. Важнейшими
достижениями синэкологии явились: биогеохимические цик-
лы1 2, представления об экосистемах, их эволюции о потоках
энергии в них. Синэкология оказалась теснейшим образом

1 Биологический энциклопедический словарь, 1989; Encyclopaedia
Britannica, 1997

2 Термин «биогеохимические циклы» введен В.И. Вернадским и обозна-
чает обмен веществом и энергией между различными компонентами био-
сферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий цикличе-
ский характер.
связанной с почвоведением, геологией, метеорологией и
антропологией.

В силу необходимости экология все более становилась
междисциплинарной научной областью, которая начала свя-
зывать естественные и гуманитарные науки. Ее корни по-
прежнему лежали в биологических науках, но ее уже нельзя
было отнести целиком к ним. Экология становилась посте-
пенно все более «точной наукой» в том отношении, что в нее
все более органически начали входить концепции и экспери-
ментальные методы из области физики, химии и геологии,
математические методы. Присутствие в ней гуманитарных
наук также неоспоримо и существенно.

В конце прошлого века ученые начали серьезно рассматри-
вать то обстоятельство, что природа функционирует как целост-
ная система. Такая идея развивалась независимо в русской, евро-
пейской и американской экологической литературе. Напомним,
что в это время В.В. Докучаев заложил основы учения о почве. Он
и его ученик Г.Ф. Морозов придавали большое значение представ-
лению о «биоценозе». Немецкий ученый К. Мебиус рассматривал
сообщество организмов на устричной банке как «биоценоз». Аме-
риканский биолог С. Форбс опубликовал свой классический труд
об озере как «микрокосме».

Наконец, в 1935 г. английский эколог А. Тэнсли ввел тер-
мин «экосистема», а русские экологи, вслед за В.Н. Сукаче-
вым, с 1944 г. начали использовать термин «биогеоценоз».
Вопрос, насколько экосистемы являются целостными систе-
мами и насколько они способны к самоорганизации, подобно
организмам, требует еще окончательного решения. Пока в
это просто верят, так как от такой веры есть польза, а имен-
но она позволяет применить системный подход к решению
проблем, связанных с окружающей средой. В качестве самой
крупной единицы в экологии обычно принимается биосфера.

Экология, несомненно, имела практический интерес еще
на заре развития человечества, так как человек, для того
чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об
окружающей среде (о растениях, животных и природных си-
лах). Цивилизация постепенно ослабила эту зависимость, че-
ловек начал забывать о ней, а зависимость эта никуда не де-
лась, просто до поры до времени она не бросалась в глаза. И
вдруг, в течение короткого промежутка, с 1968 по 1970 гг.,
иллюзии рассеялись, и начался период, который иногда на-
зывают «всеобщей озабоченностью проблемами окружающей
среды». Слово «экология» и его производные прочно вошли в
разговорный язык, обосновались на телеэкранах и в прессе.
Рост общественного интереса оказал глубокое влияние на
академическую экологию. Один из наиболее авторитетных
экологов-биологов Ю. Одум говорил: «Хотя и сейчас экология
уходит своими корнями в биологию, она уже вышла из ее
рамок, оформившись в принципиально новую интегриро-
ванную дисциплину, связывающую физические и биологиче-
ские явления и образующую мост между естественными и
общественными науками».

Предметом экологии продолжает оставаться изучение со-
вокупности живых организмов, взаимодействующих друг с
другом и образующих с окружающей средой некую систему,
в пределах которой осуществляется процесс трансформации
энергии и органических веществ. Однако в качестве наибо-
лее значимой совокупности живых существ оказалось уже
все человечество, а окружающей средой является не только
вся биосфера, но и ближнее космическое пространство. В
центре внимания современной экологии утвердилась кон-
цепция экосистемы, и она стала основой современной эколо-
гической парадигмы.

Такой взрывообразный рост, естественно, сопровождается
и определенными издержками. Мода на экологию привела к
тому, что после 1970 г. количество людей, занимающихся этой
тематикой, возросло в сотни раз. Сюда пришли ученые с самым
разным научным и мировоззренческим багажом. В результате
произошел терминологический взрыв, часто разные слова ис-
пользуются для обозначения одного и того же явления, и наобо-
рот, а дискуссии иногда сводятся к спорам, какой термин
или его трактовка лучше. Наметились тенденции создания
аксиоматики экологии путем простого декларирования зако-
нов и принципов, которые якобы имеют место.

Целью предлагаемого учебника является формирование у
студентов целостного представления об общих экологических
проблемах, стоящих на рубеже второго и третьего тысячеле-
тий, и знакомство с основными понятиями и подходами в
этой области. Основной акцент делается на проблемах, воз-
никающих на уровне человечество — биосфера, т. е. на тех,
которые принято называть глобальными экологическими
проблемами. Естественные науки создали методологическую
базу для проведения исследований в самом общем виде —
это термодинамика и системный анализ. .В настоящем учеб-
нике мы уделим внимание применению термодинамики, а
желающим ознакомиться с системным подходом для реше-
ния экологических проблем можно посоветовать обратиться к
соответствующей литературе.

Экология, несомненно, станет одной из важнейших наук
будущего, которая будет пронизывать все более широкий круг
общественных интересов и производства. Когда сейчас произ-
носится слово «экология», то чаще всего речь идет о человеке,
среде его обитания, о борьбе с надвигающейся угрозой наруше-
ния или серьезного разрушения этой среды. Бессмысленно ста-
вить вопрос о сохранении природы, ставя под угрозу жизнь че-
ловека. Экологические исследования должны, в частности,
обеспечить сохранение пригодной для жизни человека окру-
жающей среды. И в системе высшего образования сейчас ни у
кого не вызывает сомнения то обстоятельство, что экология
уже вышла из рамок биологии, оформившись в новую ин-
тегрированную дисциплину, образующую мост между есте-
ственными и общественными наукамй. Почти на всех фа-
культетах университетов возникли кафедры или отделения,
занимающиеся проблемами экологии. Какой бы раздел
экологии мы не начали сегодня изучать, мы так или иначе
должны, учитывать ту среду, которая окружает интере-
сующую нас экосистему, или те процессьГ, которые проис-
ходят, может быть, даже в довольно отдаленных областях
нашей планеты. Вопросы, связанные с состоянием всей
биосферы или значительных ее частей, с тенденциями их
изменений и эволюции, будут представлять для нас основ-
ной интерес. Глобальная экология рассматривает Землю как
одну экосистему (биосферу), в которой изучаются энергетиче-
ские потоки и движения вещества.

Стало очевидным, что любая деятельность человека со-
провождается не только получением желаемых частных ре-
зультатов, но и экологическими последствиями. Накаплива-
ясь, эти последствия создают неблагоприятную для развития
человечества экологическую ситуацию не только во многих
регионах, но и на земном шаре в целом. Уменьшить негатив-
ные последствия такого воздействия на природу в регио-
нальном и глобальном масштабах и взять их под свой кон-
троль— важнейшая наша задача. Экологические исследова-
ния, необходимые для этого, включают в себя: исследования
эволюции биосферы, энерго- и массообмен в ней, изучение
закономерностей функционирования биосферы как единства
образующих ее экосистем и природно-хозяйственных систем
различного масштаба, биологические аспекты охраны приро-
ды, химию биосферы, разработку методов экологической
оценки природных ресурсов и последствий воздействия на
биосферу, геоэкоинформатику, методологию системных ис-
следований и математическое моделирование биосферных
процессов.

О ряде проблем глобальной экологии — о возможном из-
менении климата или озонового слоя, о динамике раститель-
ного покрова и биосферы, о влиянии увеличения естествен-
ного фона ионизирующих излучений на здоровье населе-
ния— достаточно хорошо известно и много написано. Дру-
гие проблемы получили меньшее освещение в научной лите-
ратуре.

Отметим, что изучение Земли как целостной природной
системы возможно только в рамках широчайшего междуна-
родного сотрудничества и на основе широкого применения
космических средств наблюдений. Бесспорно, что улучшение
политической обстановки в мире и ослабление угрозы ядер-
ной войны являются необходимой предпосылкой глобальной
безопасности в самом полном смысле этого слова. К экологи-
ческим угрозам относят: изменения химического состава ат-
мосферы и их последствия, а также загрязнение ближнего
космоса; загрязнение природных пресных вод, океанов и
прибрежных акваторий; обезлесивание и опустынивание,
эрозию почв, потерю плодородия земель, риск, связанный с
биотехнологией; опасные выбросы и загрязнения; производ-
ство, перевозку и применение токсических веществ, а также
передачу опасных технологий, создающих угрозу населению,
в развивающиеся страны.

Международное сотрудничество в области глобальных
проблем экологии началось со Стокгольмской конференции
1972 г. и продолжилось на второй конференции ООН по ок-
ружающей среде и развитию (КОСР-2), состоявшейся в
1992 г. в Рио-де-Жанейро. К сожалению, основные тенден-
ции ухудшения экологической ситуации в глобальном и ре-
гиональных планах сохранились. Даже в индустриально раз-
витых странах кардинальных изменений к лучшему не про-
изошло. В остальных регионах явно нарастают деформации
среды, например, расширяется площадь пораженных лесов,
увеличивается территория закисленных почв и водоемов, ис-
чезают грибы.

Биосфера сама поддерживает стабильные условия окру-
жающей среды, благоприятные для жизни в целом и для
жизни человека в частности. Пределы развития человечества
определяются степенью экологических нарушений, а не про-
стым потреблением ресурсов. Самым важным становится
вопрос о том, каковы же пределы устойчивости биосферы?

Проблема эта, по существу, только ставится. Среди ряда
подходов к ответу на этот вопрос можно отметить теорию
биологической регуляции окружающей среды. Так, согласно
мнению многих исследователей, некоторые изменения хими-
ческого состава окружающей среды за геологические перио-
ды времени в результате геофизических процессов или в ре-
зультате катастрофических событий компенсируются затем
биологическими процессами. Например, поток неорганиче-
ского углерода из земных недр в окружающую среду может
быть компенсирован потоком углерода, который поступает в
осадочные породы при выбывании из биогеохимического
круговорота.

Предполагая, что биота поддерживает определенный хи-
мический состав окружающей среды, ученые обычно делают
вывод, что она должна подчиняться принципу Ле Шателье,
т. е., при возникновении внешних возмущений, нарушаю-
щих состояние окружающей среды, в биоте должны возни-
кать процессы, компенсирующие это возмущение. Подобная
компенсация возмущений окружающей среды успешно про-
изводится слабо возмущенной биотой. Очевидно, например,
что при уничтожении биомассы (вырубка лесов) процессы
синтеза и разложения органических веществ просто прекра-
щаются.

Бесспорно, что существенную роль в уничтожении есте-
ственной биоты и в возрастании антропогенного1 давления
на нее играет стремительное возрастание численности насе-
ления. Однако не менее очевидно и то, что во многих слабораз-
витых странах потребление естественных ресурсов на душу на-
селения в десятки раз меньше, чем, например, в США. Поэтому
эффективное воздействие на природу 200 млн жителей США во
многих отношениях более значимо, чем нескольких миллиардов
жителей слаборазвитых стран.

Проблемы выживания и приспособления биосферы к
мощнейшему антропогенному давлению занимают внимание

1 Антропо — первая составная часть сложных слов, обозначающая: от-
носящийся к человеку. Так, например, Аристотель ввел термин «антрополо-
гия». В настоящее время антропология — это наука о происхождении и эво-
люции человека, которая охватывает реальное человеческое существование
во всей его полноте и определяет место и отношение человека к окружаю-
щему миру. Наряду с термином «антропогенное давление» часто употребля-
ется: «антропогенное или техногенное влияние», или «техногенное давление».
ученых, специализирующихся в самых разных областях нау-
ки. Как дальше будет реагировать она на человеческую ак-
тивность? Каковы истинные пределы роста народонаселения
и каков действительный порог антропогенного давления на
природу, перейдя который биосфера не сможет уже вернуть-
ся в то устойчивое состояние, в каком она находилась в те-
чение последних сотен миллионов лет? На эти и ряд других
вопросов призвана ответить глобальная экология.

Совершенно необходимо рассматривать биосферу как
четырехмерный эволюционирующий объект, т. е. постоянно
помнить о процессах, происходивших в ее объеме на протя-
жении ~4 млрд лет ее существования1. Нужно иметь доста-
точно полное представление о тех физических, химических и
биологических, а затем и социальных процессах, которые
воздействуют на эту эволюцию.

Целью данного учебника является желание помочь сту-
дентам и аспирантам получить тот объем сведений об окру-
жающем нас мире, который необходим для адекватного
представления о глобальных экологических проблемах и изу-
чения их. Особое внимание мы уделим вопросам термодина-
мики и применению ее к решению экологических задач. Для
того чтобы начать анализировать крупномасштабные про-
цессы, протекающие вокруг нас, с помощью термодинамики,
мы последовательно введем понятие биосферы и рассмотрим
имеющиеся его толкования.

1 В дальнейшем по ходу изложения мы будем упоминать о различных
параметрах и физических величинах, приводя численные значения многих
из них в приложениях к учебнику. Во многих случаях для наших целей впол-
не достаточно указать только их характерное значение, и тогда перед числом
мы будем ставить знак приблизительно — «тильда» (-).
Глава 1

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ
АКСИОМАТИКИ БИОСФЕРЫ

1.1.	ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Ограничимся в данный момент только самым простым из
возможных определений: биосфера— это область жизни
(биота и область, где существуют условия, необходимые для
жизни). Еще примерно 150-200 лет тому назад люди не могли
и представить себе, что их потомки не только нарушат гар-
монию природы, которой всегда восхищался человек, но и
вообще поставят под сомнение возможность ее существова-
ния в том виде, в котором человек наблюдал ее на протяже-
нии веков. Основные причины этого достаточно хорошо из-
вестны. В первую очередь это социальные причины и резуль-
таты интеллектуального развития человека, совершившего за
короткий исторический срок последовательно три «револю-
ции»: индустриальную, научно-техническую и информацион-
ную, сопроводив их ужасающе быстрым ростом численности
населения и не менее губительным для биосферы ростом по-
требления ее ресурсов.

Интенсивность воздействия человека на природу стала
соизмеримой, а иногда и превосходящей воздействие других
факторов. Деятельность человека стала определять, как гово-
рил Э. Зюсс, «лик Земли». Десятки миллионов лет самосогла-
сованно функционировавшая биосфера с ее почти замкну-
тыми циклами столкнулась с тем обстоятельством, что неко-
торые из этих циклов перестают быть замкнутыми. Челове-
ческая деятельность приводит не только к изменению ланд-
шафтов на огромных территориях, но и оказывает сущест-
венное влияние на процессы осадкообразования и формиро-
вание структуры земной коры. Широко распространилось
мнение, что в геохронологическом плане произошла смена не
эпох, а эр, и мы живем в «антропогенную эру»1, начало кото-
рой, в отличие от всех предшествовавших эр и периодов,
можно определить точно.

Антропогенное воздействие приводит в настоящее время
к трансформации сложившейся на протяжении сотен мил-
лионов лет биосферы в некоторое новое образование, управ-
ляемое не только физическими, химическими и биологиче-
скими факторами, но и социальными факторами. Теоретиче-
ские основы учения об этом новом образовании были зало-
жены в конце 20-х гг. французскими учеными Э. Леруа и
Тейяром де Шарденом. Они выдвинули концепцию ноосфе-
ры. Затем этот термин был использован и другими учеными,
из них в первую очередь следует упомянуть В.И. Вернадско-
го, который вкладывал в термин «ноосфера» не совсем тот
смысл, что подразумевали Э. Леруа и Тейяр де Шарден. Бла-
годаря В.И. Вернадскому этот термин получил наибольшее
распространение в СССР, а деятельность его последователей
привела к тому, что анализ проблем, связанных с ноосферой,
из области естествознания переместился у нас в значитель-
ной степени в область философии.

Пресс антропогенного воздействия на биосферу наруша-
ет как ее видовой, так и химический состав, что еще более
тревожно, так как наше существование теснейшим образом
связано с окружающей нас средой и с процессами, в ней
происходящими. В качестве простейшего примера можно
указать на то, что мы интенсивно изучаем космическое про-
странство и начинаем постепенно внедряться в его пределы,
расширяя область нашего обитания. Изучение космоса по-
зволит человечеству не только лучше обеспечить в будущем
свои потребности в пространстве и материальных ресурсах,
но и обезопасить себя от возможных катастрофических
«сюрпризов» космоса и лучше понять природу различных фи-
зических (климатических, метеоритных и т. д.) явлений, оп-

1 Термин «антропогенная эра», как и подобный ему термин «психозой-
ская эра», возник в работах ученых, занимающихся вопросами геологии и
палеонтологии. Так, Л. Агассис, опираясь на палеонтологические данные,
говорил о геологической эре человека. Профессор Московского университета
А.П. Павлов предложил четвертичную систему кайнозойской эры называть
антропогеновой. Почти одновременно с А.П. Павловым Ле Конте в Калифор-
нии и К. Шухерт в Новой Англии назвали ту же эру «психозойской». Не окон-
чившийся и сегодня четвертичный период часто называют антропогено-
вым, а начало его связывают с появлением человека (-3-4 млн лет тому на-
зад).
ределяющих условия, необходимые для жизни на нашей пла-
нете.

Восторгаясь достижениями в исследованиях и освоении
ближнего космического (околоземного) пространства, люди,
как правило, забывают, что сам процесс освоения сущест-
венно сказывается на глобальной экологической безопасно-
сти человечества. Уровень воздействия ракетно-космической
техники на околоземное пространство в настоящее время
достиг такой интенсивности, что становятся возможными
глобальные изменения основных свойств этой среды и ее
функциональных особенностей. Эффекты этих воздействий
превосходят соответствующие эффекты суммарных воздей-
ствий человеческой деятельности на сушу, океаны или при-
земную атмосферу. Без определенного объема знаний об ок-
ружающем нас космическом пространстве адекватные пред-
ставления о многих глобальных экологических проблемах не-
возможны, а следовательно, невозможно и минимизировать
их отрицательные для нас последствия.

В качестве второго примера укажем на тот хорошо всем
известный факт, что на развитие человечества и глобальной
экологической ситуации большое влияние оказывают как эк-
зогенные (обусловленные внешними причинами), так и эндо-
генные (обусловленные внутренними причинами) процессы.
Как те, так и другие существенны для жизни на Земле, изме-
няют земную кору и воздействуют на биосферу. Однако при
рассмотрении экологических проблем внимание очень часто
ограничивается только экзогенными процессами. Этого не-
достаточно, особенно если нас интересуют глобальные эколо-
гические проблемы. В природе всегда наблюдается тесное
переплетение и взаимодействие эндо- и экзогенных процес-
сов. Так, горы образуются под действием внутренних, глу-
бинных сил, вызывающих их поднятие, но детали их рельефа
формируются экзогенными процессами — деятельностью
ледников, рек, функционированием биосферы.

Когда мы говорим о жизни на Земле, мы всегда должны
учитывать ее внутреннюю энергию. Без внутреннего тепла
Земли жизнь, если бы она даже была «привезена» на нашу
планету во всем ее разнообразии и если бы смогла самопод-
держиваться за счет энергии Солнца некоторое время, все
равно бы скоро угасла. Планета превратилась бы в своеоб-
разное «кладбище жизни» и в настоящем виде существовать
не смогла бы.
И, наконец, велико влияние на развитие человечества и
экологической ситуации внутренних сфер Земли. Можно с
уверенностью сказать, что интерес к внутреннему строению
нашей планеты и ее истории будет по мере развития общест-
ва увеличиваться. Вся Земля, от границы ее магнитосферы
до центра, — это сфера жизненно важных интересов челове-
чества. Для анализа глобальных экологических проблем необ-
ходимо познакомиться с природой Земли, возможным диапа-
зоном изменений ее характеристик и последствиями таких
изменений. Это требует и понимания природы нашей Сол-
нечной системы, ее места во Вселенной, ее эволюции и того,
как это все может сказаться на биосфере.

Очевидно, что анализ происхождения и эволюции систе-
мы Вселенная1 — Солнечная система — планета Земля, т. е.
того фона, на котором происходили, происходят и будут про-
исходить все процессы в биосфере, должен предшествовать
рассмотрению проблем, в ней возникающих, и являться зало-
гом правильного их понимания. Понимание происходивших
процессов обязательно для достоверного анализа палеобиоло-
гических данных, для ретроспективного анализа эволюции
биосферы и для предсказания трендов и возможных процес-
сов в биосфере в отдаленном будущем. При рассмотрении
время от времени возникающих предсказаний о глобальных
изменениях, например о возможном изменении климата
вследствие антропогенной эмиссии СОг, такой подход осо-
бенно необходим. В России все это усиливается благодаря
еще одному фактору. Этот фактор — «идеи космизма», милые
духу определенной части русской интеллигенции и часто
противоречащие научным данным.

Следовательно, мы должны будем познакомиться с эво-
люцией Земли, формированием и эволюцией биосферы,
энергетическим балансом Земли и энергетическим базисом
человечества, естественными ограничениями на энергопо-
требление и производственную деятельность. Так как Земля
является малой частицей Солнечной системы, а последняя —

1 Вселенная (лат. universum) — общепринятый в научной литературе
термин для обозначения окружающего нас мира (полной совокупности
предметов и явлений, наблюдаемых или постулируемых). В разных областях
знаний в этот термин часто вкладывается разный смысл. В естественных
науках — это вся материя в любых формах ее существования: частицы, поля
и излучения, заполняющие все пространство. Синонимы термина «Вселен-
ная»: «Космос» (греч. kosmos) и «Мир» (англ. all). Доступную для наблюдений
часть Вселенной часто называют Метагалактикой (Мегамиром). Ее размеры
определяются расстоянием до горизонта видимости во Вселенной.
малой частицей Вселенной, то и изучение всех этих вопросов
требует знания происхождения Вселенной. Мы увидим, что
образование Земли и ее эволюция на первом этапе — это
процессы, наиболее трудные для изучения, и хотя они в зна-
чительной степени определяют состояние биосферы сегодня
и наши энергетические ресурсы, уровень знаний в этой об-
ласти невелик.

1.2.	ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СФЕРАХ

При рассмотрении глобальных экологических проблем
чрезвычайно широкое распространение получили термины,
связанные со словом сфера и пришедшие из геологии. Есте-
ственно, что, рассматривая проблемы, связанные с нашей
планетой, удобно вначале ввести, а затем пользоваться со-
размерными элементами. Вначале они относились непосред-
ственно к Земле как таковой и получили название геосфер1.
Геосферы — это концентрические оболочки Земли, выделяе-
мые в ее строении и отличающиеся по химическому составу,
агрегатному состоянию и физическим свойствам.

Мощности (эффективные толщины) некоторых сфериче-
ских оболочек Земли очень малы по сравнению с ее радиусом
и малы, соответственно, их объемы по сравнению с объемом
планеты (гидросфера, биосфера). Конечно, когда мы говорим
о геосферах, то, в отличие от сфер в собственном смысле это-
го слова, мы помним, что их форма отличается не только от
идеальных сферических тел и поверхностей, но и от эллипсо-
идной формы Земли. Однако такие отклонения не важны для
наших дальнейших рассуждений.

Более значительные изменения формы геосфер обязаны
тем или иным региональным воздействиям и региональным
особенностям развития: рельефу поверхности Земли, мощно-
сти земной коры и структуре поверхности Мохоровичича1 2.

1 Геосфера— это динамическое единство, ее компоненты в высшей
степени взаимозависимы, организованы на иерархической основе. Геосфе-
ры ведут себя холистически, и на основе анализа их поведения нельзя пред-
сказать поведение отдельных компонент.

2 Земная кора — наружная, наиболее неоднородная оболочка твердой
Земли с усредненной толщиной 17-20 км. Она отделяется от мантии доста-
точно резкой сейсмической границей, ниже которой скорость распростране-
ния сейсмических волн возрастает. Впервые это обнаружил в 1909 г. юго-
славский сейсмолог А. Мохоровичич. Этот сейсмический раздел первого по-
рядка между земной корой и мантией называется поверхностью Мохорови-
чича (сокращенно Мохо, или М).
Региональные геометрические и вещественные аномалии
свойственны в основном верхним геосферам, в нижних же
высокие температуры и давления обеспечивают более четкое
гидростатическое равновесие и большую геометрическую
правильность границ.

Следы возникновения понятий о геосферах ведут нас к
философам античной Греции. Так, например, Аристотель в
своей «Метеорологике» выделял в природе четыре «начала»,
или основные элементы Земли: огонь, воздух, воду и землю.
Он писал: «Вода окружает Землю, как воду сфера воздуха, а
ее, в свою рчередь, так называемая сфера огня». Здесь, при
желании, можно усмотреть уже выделение семейства гео-
сфер. Земля представляет глубинные геосферы, вода — это
гидросфера, а воздух — атмосфера. Высказывания Аристоте-
ля об огне нельзя понимать в смысле еще одной геосферы.
Огонь представлялся Аристотелю носителем значительной
энергии и соответствовал той области, где полыхали молнии
или возникали горящие следы от метеоритов, а сейчас мы
можем добавить — там проявляют себя солнечный ветер,
космические лучи, разыгрываются магнитные бури и поляр-
ные сияния.

Только примерно через два тысячелетия в нашу практику
прочно вошло понятие о первой геосфере — атмосфере. Тер-
мин атмосфера впервые был использован в 1638 г. для опи-
сания сферы, состоящей из пара и обволакивающей, соглас-
но воззрениям того времени, Луну. С конца XVII столетия
этот термин стали использовать для обозначения всего возду-
ха, окружающего нашу планету. В настоящее время ней-
тральную атмосферу разделяют на несколько сфер, каждая
из которых характеризуется температурой, давлением и со-
ставом: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и
экзосфера. Кроме того, говорят об ионосфере, оболочке с за-
метной концентрацией ионов, и о магнитосфере, форма ко-
торой несферическая. В верхних слоях атмосферы происхо-
дит ионизация атомов и молекул, протекают химические ре-
акции, и имеет место массоперенос. Все это определяется по-
токами космических излучений и космических частиц, при-
ходящих в эту область. Процессы, здесь происходящие, ока-
зывают влияние на биосферу, и на изучение их направлены
усилия многих ученых.

В 1875 г. Э. Зюсс в своей монографии «Возникновение
Альп» ввел термины «гидросфера», «литосфера» и «биосфера».
С этого времени в естественных науках действительно воз-
никла мода на сферы. Различные части нашей планеты и
прилегающего к ней космического пространства получили
названия в виде двухкорневых слов, где в качестве второго
корня выступала сфера: космосфера, барисфера1, склеро-
сфера1 2 и т. д. Каждой из этих геосфер приписывался опреде-
ленный объем и положение относительно других. Последнее
обстоятельство привело к тому, что их стали делить на глу-
бинные, поверхностные и наружные.

Развитие наших знаний о строении Земли привело к то-
му, что число геосфер сократилось. Исчезли, например, поня-
тия барисфера и склеросфера, практически не используется
понятие космосфера. Однако параллельно с этим процесс
«сферообразования» начал проникать и в биологическую тер-
минологию. «Третью молодость» эта деятельность начала об-
ретать по мере того, как становилась все более ясной роль
человеческого фактора в изменении окружающей нас среды.

До тех пор, пока подобные термины обслуживали по-
требности геологии и физики, смысл введенных таким обра-
зом понятий был достаточно ясен, их можно было описать
количественно или отвергнуть. Вначале Э. Зюсс предложил
характеризовать основные геосферы по именам главных хи-
мических элементов, их образующих. Поэтому верхний слой
Земли он назвал сиалью3. Находящийся непосредственно под
ним слой получил имя сима как сокращение слов силиций и
магний. Ядро Земли получило название нифе, как производ-
ное от слов никель и феррум, а область, промежуточная меж-
ду симой и нифе, была разделена на верхнюю часть — хро-
фесима (хром, феррум, силициум, магний) и нижнюю — ни-
фесима (никель, феррум, силициум, магний). Затем в 1922 г.
В. Гольдсмит придал определенный геохимический смысл че-
тырем основным сферам и назвал их соответственно силика-
товой оболочкой, эклогитовой сферой, сернисто-окисленной
рудной сферой и железо-никелевым ядром.

Большое внимание вопросу деления Земли на отдельные
области и учению о геосферах уделял В.И. Вернадский. Гео-

1 Барисфера (греч. Ьагух — тяжелый) — так называли область до глуби-
ны -1200 км.

2 Склеросфера (греч. skleros — сухой, твердый) — предполагалось, что
верхняя часть Земли представляет собой хрупкую зону, которой ограничива-
ется распространение на глубину разломов. Впоследствии такое представле-
ние было опровергнуто наблюдениями над глубокофокусными землетрясе-
ниями.

3 Земная кора состоит главным образом из кремния и алюминия и по
символам этих элементов (Si, Al) именуется иногда сиалью.
сферы, согласно В.И. Вернадскому, это «более или менее пра-
вильные концентрические слои, охватывающие всю Землю,
меняющиеся с глубиной, в вертикальном разрезе планеты...».
Образование геосфер связано с тяготением, формой и вра-
щением Земли вокруг ее оси. На примере газообразных обо-
лочек всех планет ясно, что это— динамические равнове-
сия, созданные сложными химическими и геологическими
процессами. Они определяются термодинамическими усло-
виями среды и сложными физико-химическими процессами,
протекающими на планете.

К сожалению, В.И. Вернадский оперировал в одних и тех
же работах двумя терминами: геооболочка и геосфера, что,
естественно, затрудняет их чтение. Так, в книге «Химическое
строение биосферы Земли и ее окружения» мы читаем:
«Удобнее различать два явления: во-первых, большие кон-
центрические оболочки — геологические оболочки и, во-
вторых, более дробное подразделение геологических оболо-
чек— геосферы. И те и другие могут облекать весь земной
шар, как это выражено в атмосфере... С другой стороны, они
могут быть несплошными, ярким примером чего является
Всемирный океан — гидросфера, тоже одна из геосфер био-
сферы».

Выделение В.И. Вернадским «оболочек» нарушает строй-
ность принимаемых систем и построений. Сам В.И. Вернад-
ский не строго придерживался этого разделения, называя
геосферу то оболочкой, то геосферой. В литературе, связан-
ной с наследием В.И. Вернадского, «оболочки» и «геосферы»
часто понимаются как синонимы с той оговоркой, что поня-
тие, соответствующее термину «оболочка», весьма широко, а
соответствующее термину «геосфера»— строго привязано к
Земле и поэтому более конкретно.

Разбиение планеты на геосферы, принятое в 20-х гг., не-
приемлемо, конечно, в наше время, когда требуется характери-
зовать объект конкретными параметрами, а не общими рас-
суждениями об абстрактных различиях, например, в неопреде-
ляемых точно термодинамических свойствах. Заметим, что
В.И. Вернадский из-за скудности имевшегося в то время фак-
тического материала ограничил сферу своих исследований зем-
ной корой. При этом понятие земной коры у В.И. Вернадского с
современных позиций представляется неопределенным: за
нижнюю границу коры он принимает «изостатическую поверх-
ность». Тем не менее В.И. Вернадский, исходя из его ограни-
ченных и не всегда определенных «коровых» представлений,
высказал идеи, оказавшиеся очень существенными для даль-
нейшего развития учения о геосферах: например, представле-
ния о специализированных геосферах и возможности выделе-
ния пересекающ ихся геосфер или оболочек.

В отличие от экологии в геологии выделение специализи-^
рованных геосфер является и сейчас важным подспорьем для
исследования радиального распределения отдельных физиче-
ских свойств или состояний земного вещества, связи их с
другими свойствами и более общими геологическими процес-
сами. Иерархические модели, создаваемые с помощью гео-
сфер, — полезны. При геологических исследованиях они
представляют собой некоторые абстракции, необходимые в
процессе познания Земли как целого.

С 30-х гг. нашего столетия выделение основных геосфер
начинает увязываться с сейсмическими данными. Сущест-
венный прогресс был достигнут в 60-70-е гг., и к этому во-
просу мы вернемся в разделе 6.2. В отечественной литерату-
ре термин геосфера наиболее часто используется для обозна-
чения любой концентрической оболочки Земли. Достаточно
часто термин «геосфера» используется и в широком смысле,
когда под ним подразумеваются сплошные или прерывистые
оболочки, выделяемые по совокупности каких-либо харак-
терных признаков и (или) процессов, например, биосфера,
географическая оболочка, криосфера, магнитосфера и т. д.

В зарубежной научной литературе термин «геосфера» по-
мимо обозначения одной из концентрических оболочек Земли
часто употребляется и в двух других значениях:

1)	просто для обозначения земной коры;

2)	для общего обозначения земной коры, гидросферы и
атмосферы1.

Что касается биологии, то в ней появились такие поня-
тия, как террабиосфера, фитосфера, зоосфера и т. д. Так,
например, террабиосфера — это часть геобиосферы, пред-
ставляющая собой область жизни на поверхности суши и на-
селенная террабионтами. При таком подходе она подразде-
ляется на фитосферу и педосферу. В свою очередь фитосфе-
ра— синоним биосреды, фитогеосферы. Для анализа про-
блем, связанных с животным миром, используется термин
«зоосфера». Такие термины имеют ограниченную распро-
страненность, в определенной степени это была просто дань

1 Нельзя сказать, какое из значений более употребительно. Более того,
геосфера иногда включает ядро, мантию и все оболочки земной коры.
моде и попытка замены таких хорошо устоявшихся терми-
нов, как «фауна» и «флора». Эти области, называемые иногда
биогеосферами, имеют «лоскутную» структуру и обладают ма-
лым объемом. Если мы посмотрим Биологический энцикло-
педический словарь, то там терминов «террабиосфера», «фи-
тосфера», «зоосфера» не обнаружим.

Дань моде привела затем к д альнейшему словообразова-
нию, появлению приставок из области общественных наук.
Известный геолог А.Е. Ферсман ввел термин «техносфера».
Появились термины «антропосфера» и «социосфера». Упомя-
нутое выше разнообразие терминов свидетельствует о том,
что данная область науки находится в стадии своего
становления.

В заключении раздела о сферах отметим, что самой
крупной из рассматриваемых сегодня наукой сфер является
гелиосфера (см. 6.6). Эта область простирается до расстоя-
ния ~ 120 а. е. от Солнца, где происходит наиболее сильное
взаимодействие солнечного ветра с локальной межзвездной
средой. Внешняя область, занятая межзвездным газом, эф-
фективно отделяется от области, заполненной плазмой сол-
нечного происхождения, контактной поверхностью, назы-
ваемой гелиопаузой. Предполагается, что физическая грани-
ца — гелиопауза является довольно тонкой по сравнению с
размерами гелиосферы. То, что происходит в области гелио-
паузы, не безразлично нам, так как определяет модуляцию
интенсивности приходящих галактических космических лу-
чей и ряд других процессов.

1.3. БИОСФЕРА И ПОДХОДЫ К ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

Из перечисленных геосфер нас будут интересовать атмо-
сфера (и ее отдельные оболочки), гидросфера и земная кора."
Эти же три геосферы необходимы нам для перехода к рас-
смотрению одного из основных понятий глобальной эколо-
гии — биосферы. Земля — единственная из планет Солнеч-
ной системы, которая обладает биосферой. На эту исключи-
тельность никак не сможет повлиять открытие примитивных
организмов или микробов на Марсе или Венере. Сейчас ни у
кого не вызывает сомнений то, что все живое теснейшим об-
разом зависит от окружающей неживой среды и они оказы-
вают влияние друг на друга.

Идеи о взаимной зависимости различных факторов ок-
ружающей нас природной среды уходят своими корнями в
конец XVIII столетия (например, работы Дж. Форстера и
А. фон Гумбольдта). Решающий толчок эти идеи получили в
конце прошлого столетия благодаря работам ряда ученых, из
которых мы уже упоминали В.В. Докучаева, прославившего-
ся изучением черноземов и основавшего русскую школу поч-
воведов. В тот период все идеи о взаимной зависимости раз-
личных факторов явно и неявно основывались на предполо-
жениях, что имеются некоторые, пусть и очень сложные, но
детерминированные функциональные зависимости. Сейчас
же стало очевидным, что наличие только строгих функцио-
нальных зависимостей, как бы сложны они ни были, означа-
ет отсутствие эволюционного, т. е. внутреннего и случайного
момента развития.

Согласно В.В. Докучаеву1, почва «есть функция (резуль-
тат) от материнской породы (грунта), климата и организмов,
помноженная на время». Она является самостоятельным, ка-
чественно отличным природным телом. Это послужило затем
для В.И. Вернадского основанием назвать почву— биокос-
ным телом природы. Функциональную взаимосвязь между
почвенным покровом и главнейшими факторами почвообра-
зования В.В. Докучаев предложил рассматривать в следую-
щем виде:

П=/(К, О, Г, P)t,	(1)

где П — почва; К — климат; О — организмы; Г — горные по-
роды; Р — рельеф; t— время (период формирования почвы).

Климат, материнские горные породы, живые и отмершие
организмы и рельеф рассматривались В.В. Докучаевым как
элементы внешней среды, возраст территории отражал раз-
витие почв во времени. Почва стала восприниматься как са-
мостоятельный объект, а не просто как некоторая геологиче-
ская формация. Следующему поколению ученых это послу-
жило базисом для изучения связей экосистем с их окружени-
ем. Геосферы у В.В. Докучаева формально не упоминаются,
однако косвенно они присутствуют, так как его понятие
климата включает атмосферу и гидросферу; животные и рас-
тения (и микроорганизмы) — это биосфера, подстилающие
материалы — земная кора и, кроме того, учитывается рель-
еф.

1 В.В. Докучаев в «Лекциях о почвоведении» (1901 г.) определил почву
как минерально-органическое образование, которое является результатом
взаимной деятельности живых и отживающих организмов (как растений,
так и животных), материнской горной породы, климата и рельефа местно-
сти.
Существенным вкладом В.В. Докучаева в экологию яви-
лись развитые им представления о факторах почвообразова-
ния. Согласно этим представлениям, формирование почвен-
ного покрова теснейшим образом связано с физико-
географической средой и историей ее развития. В. В. Доку-
чаев считал, что должна быть создана особая наука, изучаю-
щая взаимообусловленный комплекс явлений и предметов на
земной поверхности, и что она займет самостоятельное и по-
четное место со своими собственными, строго определенны-
ми задачами и методами, не смешиваясь с существующими
отделами естествознания, ни тем более с «расплывающейся
во все стороны географией». Тем не менее именно география,
которая своим основным объектом изучения считает чаще
всего географический ландшафт, взяла на себя в дальней-
шем задачи этой намечавшейся В.В. Докучаевым новой нау-
ки.

Развитие работ В.В. Докучаева и других ученых того
времени пошло по двум направлениям. Первое является в
той или иной мере развитием цдей о взаимной зависимости
различных факторов окружающей нас природной среды.
Сюда в первую очередь относится разработка Х.Ф. Шау (ко-
торый придерживался взглядов В.В. Докучаева на формиро-
вание почв) формализованного подхода к учению о факторах
почвообразования. Автор представил процесс почвообразо-
вания с помощью некоторой формулы Р = F(x, у, z...), напо-
минающей выражение (1). Немецкий ботаник Р. Туксен раз-
работал представления о совокупности взаимовлияющих
факторов, описывающих взаимодействие человека, живот-
ных, растительности, почв, гидрологии, рельефа, климата и
земной коры.

Работы Ф. Клементса, развившего идеи тесной связи ме-
жду растительностью и факторами окружающей среды, так-
же можно отнести к этому направлению. Он придерживался
холистических взглядов1 и считал, что наиболее существен-
ным фактором является климат. В 30-40-е гг. нашего столе-
тия представления об экологических факторах и о биогеоце-

1 Холистический подход (греч. holos — целый) впервые был развит Е.
Бирджем при изучении озерного микрокосма как неразрывного целого. Он
предполагает анализ поступления и оттока энергии и веществ в систему,
оценку совокупных и эмерджентных ее свойств. Эмерджентные (новые)
свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в ре-
зультате изменения природы этих компонентов. Совокупные свойства пред-
ставляют собой сумму свойств компонентов.

нозе были развиты в работах В.Н. Сукачева, о которых мы
будем упоминать ниже.

Наиболее существенный вклад в развитие цдей В.В. До-
кучаева был сделан Г. Йенни в 30-х гг. Свойства почвы, про-
цессы, в ней происходящие, и почвообразующие факторы
были объединены им с помощью достаточно полной системы
уравнений1. Любую характеристику почвы s оказалось воз-
можным представить в виде функции от почвообразующих
факторов. Уравнение (1) приняло следующую форму:

s =f(d, b, г, р, t,...),	(2)

где с/ — климат в данной местности; b — организмы (флора и
фауна); г— топография, которая включает также гидрологи-
ческие особенности местности; р— подстилающие материа-
лы, определенные как исходное состояние почвы, когда про-
цесс почвообразования начался; t— возраст почвы, или аб-
солютный период ее формирования; ... — любые другие фак-
торы, как например, пожары. Заметим, что мы имеем здесь
дело с набором переменных, призванных описать экологиче-
скую ситуацию, но действующих как бы независимо друг от
друга.

Для целей экологических исследований эти уравнения
были расширены автором и они стали концептуальной осно-
вой и некоторым «каркасом» для изучения взаимодействия
компонентов биосферы. Выражение (2) приняло теперь сле-
дующий вид:

/, s, v, d =f(Lo, f*. t),
где t — возраст системы, I — такие свойства экосистемы, как,
например, содержание углерода в экосистеме, ее первичная
продуктивность и дыхание; s— свойства почвы: pH, струк-
тура, содержание гумуса; v — такие вегетационные свойства,
как биомасса, разнообразие вцдов и содержание натрия; d —
такие свойства животных, как размер, скорость роста или
цвет. Lq — начальное состояние системы, т. е. набор свойств
в начальный момент времени, когда началось развитие (L со-
ответствует экосистеме, или большой системе, частью кото-
рой является почва). Начальное состояние системы определя-
ется материнскими породами — р, топографией и водным
режимом — г. Поток внешних воздействий Р* — это свойства

1 Эти уравнения были названы автором в 1941 г. «clorpt» equation по
первым буквам английских слов: климат, организмы, рельеф, материал под-
стилающих пород, возраст, почв.	-
окружающей среды, которые приводят к прибыли или убыли
вещества и энергии — к системе и от нее. К нему относятся
окружающий климат — cl и биотический фактор Ь — флора и
фауна, как резервуар видов и генов, активных и неисполь-
зуемых, которые были в экосистеме в начальный момент
времени или попали в нее позже.

Биотический фактор оказывается теперь отличным от
вегетации, так как он растет по мере того, как система раз-
вивается. Другие внешние воздействия включают, например,
пыльные бури, наводнения, внесение удобрений. Они могут
быть обозначены символами и введены в уравнение отдель-
но, если необходимо. Уравнение теперь применимо к экоси-
стемам, а не только к почве. Последние версии уравнений
рассматривают и роль человека в экосистемах. Таким обра-
зом, связь между свойствами экосистемы и каким-либо су-
щественным фактором окружающей среды может быть за-
писана в виде некоторой функции.

Для современных экологических исследований помимо
фактора развития любой экосистемы, например биосферы,
необходимо учитывать и ее эволюцию и взаимодействие ме-
жду геосистемами. Объединить развитие, взаимодействие
между геосистемами и эволюционный подход удалось только
в начале 90-х гг. В этом случае оказалось необходимо учиты-
вать геосферы по отдельности: биосферу — Ь, выступающую
при таком подходе в качестве всего живого (живого вещест-
ва), атмосферу — а, гидросферу — h, педосферу (почву) — s и
сферу ландшафтов — Г. То, что они образуют вместе, называ-
ется в рамках такого подхода геоэкосферой. Составляющие
геосферы взаимодействуют так, что изменение в любой из
них может быть представлено как функция состояния всех
остальных сфер и влияния внешних движущих сил — Z. Ди-
намика геоэкосферы как целого описывается с помощью не-
которой системы дифференциальных уравнений:

db/df =fi (b, г, a, s, h)+z-i,
drldt = /2 (b, r, a, s, h) + z2,
daldt =fa (b, r, a, s, h) + z3,
dsldt (b, r, a, s, h) + z4,
dhldt = fs (b, r, a, s, h) + z5.

Этот подход основан на следующих предположениях о
структуре и свойствах геоэкосистем, их компонентов и их
окружения. Относительно структуры предполагается, что
геоэкосфера и все составляющие ее сферы могут рассматри-
ваться как иерархия пространственных систем. Относитель-
но динамики предполагается, что все компоненты геоэкоси-
стем полностью, и часто нелинейно, взаимозависимы. Кроме
того, геоэкосистемы ведут себя холистически, по крайней
мере в том отношении, что их поведение не может быть
предсказано из поведения составляющих компонентов, а
внешние воздействия на них из земной коры и атмосферы
(космического пространства) постоянно изменяются.

Взятые вместе, эти предположения о структуре и свойствах
приводят к утверждению того, что геоэкосистемы являются це-
лостными, динамичными, пространственными построениями,
которые непрерывно реагируют на изменения в своем окруже-
нии. Возникает эволюционный подход к геоэкосистемам, кото-
рый является качественно новым по сравнению с подходом,
просто учитывающим развитие систем под влиянием вполне
определенных связей. Именно на основе этого подхода стано-
вится понятным, что геоэкосистемы вынуждены непрерывно
эволюционировать, чтобы приспособиться к изменениям внут-
ри них самих и изменениям космических и геологических фак-
торов. Такой эволюционный подход является основой для со-
временного осмысления и изучения геоэкологических измене-
ний, он представляет собой как аналитическую, так и концеп-
туальную основу для описания динамики геоэкосферы, т. е. то-
го, что необходимо в экологии.

Идеи о том, что природа функционирует как целостная
система, развивались не только на пути поисков функциональ-
ных зависимостей или систем дифференциальных уравнений.
Не меньшую известность получили достаточно общие описа-
тельные подходы, существенным элементом которых была фи-
лософская компонента. Значительный вклад в дело интеграции
различных наук, использующихся сейчас для изучения глобаль-
ных экологических проблем, внесли в начале нашего столетия
В.И. Вернадский, Э. Леруа и Тейяр де Шарден. Обращаясь к
работам этих авторов, необходимо, конечно, помнить, что эко-
логии в современном виде тогда не существовало, а объем на-
ших знаний об окружающей среде был, по сравнению с сего-
дняшним днем, невелик. Сегодня эти работы привлекают нас в
первую очередь своим и мировоззренческим содержанием и
философскими взглядами на эволюцию живой природы и роль
человека. Вполне естественно, что многие, если не большинство
конкретных подходов претерпели существенные изменения, а
экспериментальные данные были уточнены и дополнены. В то
время не было экосистемного подхода и слово экосистема мы
не найдем в их работах.
Термин «биосфера» может иметь одно из трех значений:

1)	все живое, обитающее на нашей планете;

2)	все живое и область, которую оно населяет и ресурсы
которой использует для своего существования;

3)	область, занимаемая всем живым, т. е. часть атмосфе-
ры, гидросфера и верхний слой земной коры (это же можно
представить в ввде табл. 1).

Таблица 1. Три значения термина «биосфера»1

Значение термина	Живая оболочка Земли	Область, вмещающая все живое и систе- мы, поддерживаю- щие жизнь	Область, в которой на- ходится все живое
Кем введен	П. Тейяром де Шарденом	В.И. Вернадским	Д. Э. Хатчин- соном
Определение	Современный (фактический) слой живого ве- щества, окру- жающий Землю; совокупность всего живого1 2	Область, частично созданная и контро- лируемая жизнью, получающаяся в ре- зультате коэволюции всего живого и его окружения3	Та часть Зем- ли, в которой находится все живое

1.4.	ПОДХОД В.И. ВЕРНАДСКОГО
К ИЗУЧЕНИЮ БИОСФЕРЫ

В данном разделе мы рассмотрим взгляды на биосферу
Владимира Ивановича Вернадского. «Биосфера— это среда
нашей жизни, это та „природа", которая нас окружает, та
„природа", о которой мы говорим в разговорном языке. Чело-
век— прежде всего— своим дыханием, проявлением всех
своих функций, неразрывно связан с этой „природой", хотя
бы он жил в городе или в уединенном домике».

Такое определение биосферы В.И. Вернадского уже непо-
средственно соответствует современному экосистемному

1 По формулировке Зюсса (1875 г.), «сфера живущих организмов или
биологических процессов — самостоятельная биосфера, лежащая в переход-
ной области между атмосферой, литосферой и гидросферой». Последующие
определения в табл. 1 призваны только отразить взгляды авторов.

2 Тейяр де Шарден впервые использовал этот термин в обзоре, опубли-
кованном в 1921 г. и посвященном Э. Зюссу «Лик Земли по Зюссу», а также
в последующих публикациях в 1925-1926 гг.

3 Сформулированное так определение биосферы по своей сути подобно
определению биогеоценоза В.Н. Сукачева и экосистемы А. Тэнсли, а анало-
гом биосферы у В.Н. Сукачева является биогеоценотический покров Земли.
подходу в экологии, и мы рассмотрим становление этого по-
нятия более подробно. В 1926 г. им была опубликована моно-
графия «Биосфера», которая состояла из краткого авторского
предисловия и двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Об-
ласть жизни»1. К этому времени он был известным геологом,
геохимиком, создателем нового направления — биогеохимии.
Основанием для написания книги, по словам В.И. Вернад-
ского, явилось отсутствие в огромной геологической литера-
туре очерка о биосфере, «рассматриваемой как единое целое,
как закономерное проявление механизма планеты, ее верх-
ней области — земной коры».

Книга, первоначально предназначавшаяся В.И. Вернад-
ским для геологов, получила впоследствии известность не толь-
ко среди геологов, но и среди биологов, химиков и представите-
лей гуманитарных наук. При чтении оригинальных работ
В.И. Вернадского необходимо постоянно иметь в виду, что за
более чем 70 лет, прошедших с момента написания «Биосфе-
ры», произошел гигантский скачок в области всех естественных
наук. То, что сегодня кажется хорошо известным, еще 20 лет
назад воспринималось как откровение или научная сенсация.
Естественно, что не все теории и гипотезы начала нашего сто-
летия дожили до конца века. Через несколько лет после появле-
ния «Биосферы» на русском языке автор, слегка модернизиро-
вав, издал ее на французском языке. Читая переизданную в
70-90-х гг. XX в. «Биосферу», мы должны помнить, когда она
была в действительности написана.

Существенным и новым элементом в подходе, развитом
В.И. Вернадским для изучения биосферы, было стремление
объяснить окружающую нас природу с позиции атомистских
воззрений как сложное движение (химическое и физическое)
огромного числа атомов и молекул. Это полностью согласует-
ся с современным подходом, согласно которому функциони-
рование и само существование экосистем обусловлено дви-
жением потоков вещества и энергии через них.

Напомним вкратце основные представления В.И. Вер-
надского о биосфере. Они были сформулированы им в виде 6
пунктов.

1.	Никогда в течение всех геологических периодов не бы-
ло и нет никаких следов абиогенеза (т. е. непосредственного
создания живого организма из мертвой, косной материи).

1 Вернадский В.И. Биосфера. Т. I-II. Л., 1926.
2.	Никогда в течение всего геологического времени не
наблюдались азойные (т. е. лишенные жизни) геологические
эпохи.

3.	Отсюда следует, что, во-первых, современное живое ве-
щество генетически связано с живым веществом всех прошлых
геологических эпох и что, во-вторых, в течение всего этого вре-
мени условия земной среды были доступны для его существо-
вания, т. е. непрерывно были близки к современным.

4.	В течение всего геологического времени не было резко-
го изменения в какую-нибудь сторону в химическом влиянии
живого вещества на окружающую среду; все время на зем-
ной поверхности шли те же процессы выветривания, т. е. в
общем наблюдался тот же средний химический состав живо-
го вещества и земной коры, какой мы и ныне наблюдаем.

5.	Из неизменности процессов выветривания вытекает и
неизменность количества атомов, захваченных жизнью, т. е.
не было больших изменений в количестве живого вещества.

б.	В чем бы явления жизни ни состояли, энергия, выде-
ляемая организмами, есть в главной своей части, а может
быть, и целиком — лучистая энергия Солнца. Через посред-
ство организмов она регулирует химические проявления зем-
ной коры».

Для 20-х гг. XX в. это были достаточно корректные форму-
лировки, а последний пункт не вызывает возражений и сего-
дня.

Что касается структуры биосферы, то как сложный при-
родный объект она, согласно В.И. Вернадскому, состоит «из
семи глубоко разнородных частей. Во-первых, из совокупно-
сти живых организмов, живого вещества, рассеянного в ми-
риадах особей ... обладающих колоссальной биогеохимиче-
ской энергией и являющихся могучей геологической силой,
нигде на планете больше не существующей, связанной с дру-
гим веществом биосферы только биогенной миграцией ато-
мов. Концентрация живым веществом определенных хими-
ческих элементов в биосфере есть, по-видимому, ее господ-
ствующий — биогенный — геологический процесс.

Во-вторых, мы имеем дело с веществом, создаваемым и
перерабатываемым жизнью, т. е. с биогенным веществом —
источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии
(каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.).

В-третьих, мы имеем вещество, образуемое процессами,
в которых живое вещество не участвует: косное вещество,
твердое, жидкое и газообразное.
Четвертая часть вещества — это биокосное вещество, ко-
торое создается одновременно живыми организмами и кос-
ными процессами, представляя динамические равновесные
системы тех и других. Таковы вся океаническая и почти вся
другая вода биосферы, нефть, почва и т. д. Организмы в них
играют ведущую роль. Эти биокосные организованные массы
являются сложными динамическими равновесными, в кото-
рых резко проявляется геохимическая энергия живого веще-
ства — биогеохимическая энергия».

Что касается остальных трех частей, то они были своеоб-
разной данью моде на новые в то время научные веяния, и
сейчас мы знаем, что они не играют существенной роли в
функционировании биосферы как целого. Таковыми являют-
ся: «вещество, находящееся в радиоактивном распаде в фор-
ме немногих относительно прочных радиоактивных элемен-
тов»; «рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из
всякого рода земного вещества под влиянием космических
излучений, непрерывно охватывающих планету, по-види-
мому, из просторов Млечного пути»; и, наконец, «вещество
космического происхождения, среди которого мы можем
различать, с одной стороны, отдельные атомы и, может быть,
даже молекулы, входящие в ионосферу из электромагнитного
поля Солнца, а с другой стороны, проникновение потока от-
дельных атомов и молекул, приходящих к нам из космиче-
ских пространств, может быть, того облака космической пы-
ли, которое охватывает всю нашу Солнечную систему».

Для рассмотрения функционирования биосферы В.И. Вер-
надскому нужно было понятие, аналогичное экосистеме, и та-
ким явилось «биокосное тело». Согласно В.И. Вернадскому, зна-
чительная часть биосферы состоит из биокосных тел. «Такими
являются все скопления живых организмов: леса, поля, планк-
тон, бентос, почвы. Организованные биокосные тела занимают
значительную часть по весу и по объему биосферы. Их остатки
после гибели организмов, их составляющих, образуют биоген-
ные породы, которые образуют огромную часть стратисферы.
Но, кроме того, мы встречаем на каждом шагу мелкие биокос-
ные тела разнообразнейшей формы, которые в общем балансе
биосферы играют видную незаменимую роль. Таковы, напри-
мер, воды, собирающиеся в дуплах или листьях, тончайшие
биоценозы бактерий и воды, рассеянные в виде пленок и тон-
ких корок, разрушающие в конце концов скалы». Таким обра-
зом, это действительно эрзац экосистемы.
Из тех положений учения В.И. Вернадского о биосфере,
которые представляют и по прошествии более чем 70 лет на-
учный интерес, мы отметим вначале следующие.

1.	Биосфера— единая система, развитие которой опре-
деляется деятельностью живых организмов. Все, что мы на-
блюдаем в биосфере, определяется потоками вещества и
энергии. В качестве примеров укажем на работы В.И. Вер-
надского по определению среднего химического состава жи-
вого вещества. Конечно, в процессе эволюции животных,
приспособления их к меняющимся геохимическим условиям
изменялась и биологическая роль отдельных химических эле-
ментов и их количество в организмах. Конструктивными яв-
ляются и его соображения относительно газового обмена ор-
ганизмов с окружающей средой. Состав современной атмо-
сферы есть результат жизнедеятельности биосферы. Значи-
тельное внимание В.И. Вернадский уделял оценкам количе-
ства солнечной энергии, доходящей до зеленых растений и
используемой ими. Это интересовало его и в плане возможно-
го расширения использования солнечной энергии в случае,
например, резкого увеличения зеленой фитомассы.

2.	Термодинамические представления являются эффек-
тивным методом анализа биосферных процессов. Так, на-
пример, он писал: «Из всех факторов, определяющих химиче-
ские равновесия, температура и давление — и отвечающие
им термодинамические оболочки — имеют особое значение,
ибо они всегда существуют для всех форм нахождения веще-
ства, для всех его состояний и химических комбинаций. На-
ше построение космоса — его модель — всегда термодинами-
ческое. Поэтому в истории земной коры важно различать
происхождение вещества и связанные с ним явления, исхо-
дящие из разных термодинамических оболочек».

3.	Живое вещество может существовать в пределах оп-
ределенных допустимых параметров окружающей среды, од-
нако диапазон допустимых значений достаточно широк.

4.	Существуют тесная связь и система соподчиненности
биосферы и человека. Человек становится основной геолого-
образующей силой планеты, и проблема взаимодействия че-
ловека и природы выходит в число основных фундаменталь-
ных проблем современной науки.

В геологии жизнь проявляется только в виде живого ве-
щества. Живые организмы являются функцией биосферы и
теснейшим образом материально и энергетически с ней свя-
заны. Так как они являются огромной геологической силой,
то для ее анализа потребовалось выразить все живые орга-
низмы и растения как нечто целое и единое1. С этой целью
Вернадским и был введен термин «живое вещество», т. е. со-
вокупность всех живых организмов, в данный момент суще-
ствующих. Оно связано с окружающей средой биогенным то-
ком атомов, т. е. дыханием, питанием и размножением. «Так
выраженные явления жизни изучаются в биогеохимии и вы-
являются как огромный геологический процесс, геологиче-
ская сила планетного характера». Аналогом термина живое
вещество являются биота или флора и фауна. В зарубежной
литературе используется более короткий термин «life».
В.И. Вернадский в 1927 г. впервые произвел оценки общей
массы живого вещества на Земле и получил ~ 1015 т. Сегодня
мы знаем, что эта оценка значительно завышена и масса со-
ставляет примерно 2,4-1012 т.

В.И. Вернадский понимал, что с геохимической точки зре-
ния биосфера прежде всего определяется атомным составом.
Более того, в ряде случаев нужно учитывать и изотопный со-
став. Действительно, развитие науки показало, что изотопный
состав, например углерода или кислорода несет очень ценную
информацию об истории биосферы, так как для живой и не-
живой материи он различен. Представление о составе биосфе-
ры и ее удивительной продуктивности можно получать из учеб-
ников или энциклопедических пособий, перечисленных в спи-
ске рекомендованной литературы.

Масса живого вещества пренебрежимо мала по сравне-
нию с массой атмосферы, гидросферы и земной коры
(табл. 2). Однако если мы примем, что время оборота всей
биомассы Земли 8 лет, то можем утверждать, что в последние
100-200 млн лет существования биосферы каждые примерно
15 млн лет в ней производится количество живого вещества,
равное массе земной коры!

Таблица 2. Отношения масс оболочек Земли
к массе живого вещества биосферы

Оболочки Земли	Масса, кг	Отношение к массе живого вещества
Атмосфера	5,1-10“	2150
Гидросфера	1,5-1021	602 500
Земная кора	2,85-1022	1670 000

1 Как мы увидим в следующей главе, потребность выразить как целое и
единое самые различные природные ресурсы привела к концепции эксер-
гии.
Проводя непрерывно мысль о теснейшей взаимосвязи
живой и неживой природы, В.И. Вернадский не мог не кос-
нуться весьма щекотливого вопроса о происхождении (нача-
ле) жизни. Этот вопрос, по его мнению, является не научным,
а религиозно-философским, поэтому его необходимо вынести
за рамки рассмотрения эмпирически достоверных фактов.
Чтобы создать последовательную картину развития биосфе-
ры, он предположил, что живое вещество и связанная с ним
биосфера существовали на протяжении всего геологического
времени Земли. В связи с этим он принял принцип Ф. Реди:
«Никогда не наблюдается образования живого организма не-
посредственно из косных тел: принцип Ф. Реди (все живое из
живого) не нарушается». Так как, согласно В.И. Вернадскому,
во всех изученных геологических слоях имеются следы жиз-
ни, то вопрос о начале просто не следует рассматривать, по-
скольку он относится к области философии, а не точных
наук.

Несмотря на результаты всех последующих исследова-
ний, мы можем и сегодня сказать, что этот вопрос является
одним из самых сложных и от понимания его мы почти так
же далеки, как и 70 лет тому назад. В то же время ни у кого
не вызывает сомнения, что возникновение органической
жизни — это часть общего химизма, имевшего место во Все-
ленной и в Солнечной системе.

Что же касается В.И. Вернадского, то он писал: «Ряд про-
блем, которые ставятся в науке — главным образом в фило-
софских ее обработках, — исчезает из круга нашего рассмот-
рения, так как они не вытекают из эмпирических обобщений
и не могут быть построены без гипотетических предположе-
ний. Все нам известные, точно установленные факты ни в
чем не изменятся, если даже все эти проблемы (начало жиз-
ни, абиогенез, существование в истории земной коры без-
жизненных периодов) получат отрицательное решение, т. е.
если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела на-
чала, что живое— живой организм— никогда и нигде не
происходило из косной материи и что в истории Земли не
было вообще геологических эпох, лишенных жизни». То, что
В.И. Вернадский был в первую очередь геологом, постоянно
отражалось в его высказываниях: «В геологии жизнь прояв-
ляется только в виде живого вещества... В религиозном, в
философском и даже в обыденном языке понятия — жизнь и
живое вещество — не совпадают иногда резко. С этим мы не
будем считаться, и в геологии будем говорить только о живом
веществе. Проявления человеческого разума и направляемые
им геологически важные его результаты, его наука и техника
в первую очередь, целиком укладываются в понятие челове-
ческого живого вещества, так определенного, и не требуют
для себя никаких дополнительных гипотез, поскольку мы
имеем дело с геологическими процессами».

На примере В.И. Вернадского мы можем хорошо видеть
модернизацию взглядов ученых на характер изменений и пре-
вращений, происходящих в окружающей нас среде. Конечно,
В.И. Вернадский разделял взгляды Ч. Дарвина на эволюцию,
однако в то же время в своих работах он не придерживался
эволюционного подхода. Вспомним приведенную выше цитату
из монографии «Биосфера»: «Закономерное проявление меха-
низма планеты» или такие известные его высказывания, как
«Твари Земли являются созданием сложного космического про-
цесса, необходимой и закономерной частью стройного косми-
ческого механизма, в котором, как мы знаем, нет случайности»;
«Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла
отметить черты единого связного механизма в кажущейся хао-
тической картине природы», или «Можно говорить о всей жиз-
ни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме
биосферы».

В середине 30-х гг. В.И. Вернадский осознает ошибочность
такого подхода и решительно от него отказывается. В очерках
«Проблемы биогеохимии» мы уже читаем: «Понятие живого ор-
ганизма не может считаться тождественным с понятием меха-
низма ни в его научном, ни в большинстве философских пони-
маний. ...Это можно сейчас утверждать в результате векового
стремления научной мысли свести явления жизни к механизму.
Биосфера не может рассматриваться как механизм. Граница
между организмами и биосферой есть граница логическая и в
научном смысле нереальная. Организм фактически, реально не
отделим от биосферы. В нашей жизни мы непрерывно несем ее
с собою, ибо мы являемся неразрывной и неотделимой частью
биосферы. Слово „механизм" поэтому научно удобно отбросить,
говоря не только о живом организме, но и о среде жизни —
биосфере. Надо приспособлять в биосфере атомную модель ми-
ра к организму, а не к механизму».

Если мы обратимся к изданиям, появившимся после смер-
ти В.И. Вернадского, то здесь мы уже находим многие эволю-
ционные мотивы, не свойственные прижизненным изданиям, и
прежде всего это касается эволюции биосферы и ее неоднород-
ности. В качестве типичного примера приведем цитату из кни-
ги, изданной через 42 года после его смерти: «Неоднородность
биосферы в геологическом времени генетически проявляется в
том, что субстрат биосферы подвижен в геологическом време-
ни. Он состоит из горных пород, которые нередко перемещают-
ся в огромных сплошных массах, глыбах или раздробляются в
тонкие обломки. Биосфера принадлежит, таким образом, к тем
земным оболочкам, которые находятся геологически в непре-
рывном движении. Эти движения, чрезвычайно разнообразно-
го характера, в настоящее время геологами подразделяются на
разные формы ... в биосфере проявляются осколки всех этих
геосфер и нередко в форме глыб огромного протяжения. Они
после вхождения в биосферу изменяются, как и все вещество
биосферы, живым веществом, влияние которого резко понижа-
ется к нижней границе биосферы и достигает максимума на ее
поверхности в геохорах». Из тех моментов, о которых сейчас
можно забыть, но к которым по-прежнему часто обращаются
люди, далекие от современных проблем естествознания, отно-
сятся рассуждения о «кинетической энергии размножения» и
подсчетов скоростей размножения, рассуждения о пространст-
ве, о роли космических излучений и радиоактивности, о сим-
метрии и времени. Это просто дань увлеченности ученого со-
вершенно новыми для него вопросами, которые по прошест-
вию десятилетий или отброшены, или имеют совершенно иное
наполнение.

Несмотря на то, что многие взгляды В.И. Вернадского
менялись по мере развития науки, он оставался убежденным
в том, что жизнь — явление космическое. Так как она имеет
не земное, а космическое начало, она является геологически
вечной и в чем-то резко отличается от косной материи. По-
этому В.И. Вернадского, так же как Н.Ф. Федорова, К.Э. Ци-
олковского и А.Л. Чижевского, относят к творцам русского
космизма. Под космизмом подразумеваются концепции, ут-
верждающие единство жизни, разума и Вселенной и рисую-
щие космические перспективы будущего человечества. Рус-
ский космизм это своеобразное умонастроение, а не школа со
своими принципами и догмами. Это всего лишь общее пред-
ставление о деятельности, разделяемое широкими кругами
интеллигенции, к которым принадлежали люди самых раз-
личных политических и философских пристрастий.

В заключение отметим, что учение В.И. Вернадского о
биосфере является существенным при разработке современ-
ных глобальных проблем экологии.
1.5.	БИОГЕОЦЕНОЗ
И БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ ПОКРОВ ЗЕМЛИ

Если сделать обзор отечественной экологической литера-
туры, то наиболее часто встречающимся определением био-
сферы окажется примерно следующее. Биосфера — это обо-
лочка Земли, состоящая из всего живого и поддерживающих
жизнь систем (атмосферы, гидросферы, земной коры и педо-
сферы). Эта целостная система из живых организмов и Зем-
ли включает в себя и солнечную энергию, которую биосфера
преобразует в химическую при помощи фотосинтеза и рас-
пределяет ее затем так, что обеспечивает свое функциониро-
вание. Биосфера— это планетарная система, трансформи-
рующая солнечную энергию. Химические элементы, входя-
щие в состав живой материи, находятся в непрерывном
движении из неорганической среды к живым существам и
обратно. Эти процессы круговорота представляют собой ги-
гантские биогеохимические циклы, которые и характеризуют
биосферу как целостную систему.

Подобные определения навеяны в значительной степени
трудами В.И. Вернадского. Однако, как видно из табл. 1, су-
ществуют и успешно применяются другие определения био-
сферы. Для целей глобальной экологии интерес представляет
определение, связанное в таблице с именем Тейяра де Шар-
дена, но идущее от Э. Зюсса: биосфера — совокупность всего
живого. В СССР такой позиции придерживались геолог ака-
демик Ю.А. Косыгин1 и один из самых известных экологов
первого поколения — В.Н. Сукачев.

Геоботанические исследования последнего имели значение
и для развития глобальной экологии. В.Н. Сукачев развивал
идею о том, что растительный покров есть явление географиче-
ское, находящееся все время во взаимодействии с другими гео-
графическими явлениями. Это взаимодействие географических
элементов не случайно, оно органически связано с ними сами-
ми, с их происхождением и развитием, и в нем лежит источник
развития географического комплекса как целого.

'Согласно Ю.А. Косыгину, «биосфера — элемент системы планеты Земля
и одновременно сложнейшая система, обнимающая всю совокупность жи-
вущих на Земле организмов, их групп и сообществ. Биосфера является од-
ной из оболочек (геосфер) Земли и входит в ее структуру. Биосфера — сис-
тема, которая может быть построена в разных специализациях, например по
родам (видам, семействам) организмов или же по их сообществам (биогеоце-
нозам, биоценозам, биофациям), обычно рассматриваемым в связи с осо-
бенностями среды обитания».
Согласно В.Н. Сукачеву, «поверхность Земли есть место
контакта и взаимодействия горных пород (земной коры) и воз-
духа (атмосферы), а также воды (гидросферы), которая содер-
жится и в земной коре, и в атмосфере. Здесь же действуют и
живые организмы (биосфера)». Таким образом, мы видим, что в
биосферу он вкладывает не тот смысл, что был у В.И. Вернад-
ского. Сукачев хорошо знал работы Вернадского, с уважением
о них отзывался, в частности о работах по выяснению огромной
биогеохимической роли организмов, но для решения практиче-
ских задач ему было необходимо относить к биосфере только
живое вещество. Поэтому он часто использует выражение типа:
«биосфера в смысле В.И. Вернадского», чтобы продемонстриро-
вать, что у биосферы вполне может быть и другой смысл.

Являясь продолжателем традиций В.В. Докучаева, В.Н. Су-
качев значительное внимание уделил анализу экологических
факторов, наиболее важные из которых он сгруппировал в сле-
дующие четыре группы, представленные в табл. 3.

Таблица 3. Наиболее важные экологические факторы
(по В.Н. Сукачеву)

Климатические, или атмосферные	1.	Тепло  2.	Влажность воздуха  3.	Состав воздуха  4.	Свет  5.	Ветер
Почвенные, или эдафические	1.	Химический состав почвы  2.	Вода в почве  3.	Количество и состав почвенного воздуха  4.	Тепло почвы  5.	Механические свойства почвы  6.	Реакция почвы
Орографические, или рельеф	1.	Высота над уровнем моря  2.	Крутизна склонов  3.	Экспозиция
Биотические	1.	Человек (вырубка, сенокошение, пожар, осушение и орошение местности, обработка почвы и пр.)  2.	Животные (пастьба, вытаптывание, удобрение, рыхление почвы и пр.)  3.	Растения (накопление перегноя в почве, перекачи- вание солей из нижних горизонтов почвы в верхние и пр.)

Характер и интенсивность влияния каждого из этих фак-
торов очень различны. Прежде всего надо отметить, что мно-
гие из этих факторов не остаются все время постоянными, a
изменяются по своей интенсивности; поэтому важно учиты-
вать проявление того или иного из них не только в опреде-
ленный момент, а знать весь его режим, его изменение в те-
чение целого года или даже нескольких лет. Факторы могут
действовать либо непосредственно на растения, либо через
посредство других, определяя или видоизменяя их.

Значительное место в работах В.Н. Сукачева было уделе-
но вопросам классификации и терминологии, которые имеют
большое значение в науке и необходимы для познания отно-
шений различных явлений друг к другу. В них обычно отра-
жается современное состояние науки. Согласно В.Н. Сукаче-
ву, наибольшее теоретическое, а часто и практическое зна-
чение имеют генетические классификации.

Тесное взаимодействие различных явлений на земной по-
верхности находит, по мнению В.Н. Сукачева, свое выражение
в ландшафте, понимаемом как часть земной поверхности, где
сочетание взаимодействующих между собой рельефа, климата,
горных пород, веды, почвы, растительности и животного мира
образует нечто единое, целостное. В этом едином целом все
время происходит в высшей степени сложный процесс пре-
вращения вещества и энергии в результате взаимодействия
верхней части земной коры, атмосферы (точнее, тропосферы),
гидросферы и биосферы. Как следствие этого создается особая
сфера — педосфера (почва), которая сама начинает взаимодей-
ствовать с остальными сферами, участвуя в названном процес-
се превращений вещества и энергии.

Участку земной поверхности, на известном протяжении
однородному по литологическому составу, влаге, атмосферным
явлениям, почве, растительности, животному миру и характе-
ризующемуся одинаковой на этом протяжении формой взаи-
модействия между этими элементами географического ком-
плекса, давались разные наименования. В.Н. Сукачев, чтобы
подчеркнуть роль биоценоза в жизни этого целого комплекса,
предложил называть его биогеоценозом. Совокупность физико-
географических элементов биогеоценоза, составляющих среду
обитания биоценоза, он объединил в понятие «экотоп».

Согласно В.Н. Сукачеву, «биогеоценоз можно определить
как участок земной поверхности, где на известном протяже-
нии биоценоз и отвечающие ему части атмосферы, литосфе-
ры, гидросферы и педосферы остаются однородными и
имеющими однородный характер взаимодействия между со-
бой и поэтому в совокупности образующими единый, внут-
ренне взаимообусловленный комплекс. Коротко это можно
выразить так: биогеоценоз = биоценоз (фитоценоз + зооце-
ноз) + биотоп (эдафотоп + климатоп). При этом зооценоз по-
нимается как все животное население, включая и простей-
ших, обитающее в данном фитоценозе. Поэтому, как прави-
ло, границы отдельного биогеоценоза определяются фитоце-
нозом. Однако бывают случаи, когда эта роль принадлежит
зооценозу. Под эдафотопом и климатопом понимаются уча-
стки почвы и части атмосферы, пространственно соответст-
вующие данному биоценозу».

Основной задачей биогеоценологии, по мнению В.Н. Су-
качева, является всестороннее выяснение обмена веществ и
энергии между всеми компонентами биогеоценоза, а также
между ним и окружающей средой. Совокупность всех био-
геоценозов на земной поверхности составляет биогеоценоти-
ческий покров Земли. Он входит в состав биосферы, в смыс-
ле В.И. Вернадского.

В.Н. Сукачев часто подчеркивал разницу понятий ланд-
шафт и биогеоценоз не только в объеме, но и в самой сущно-
сти и призывал отличать компоненты биогеоценоза от фак-
торов, на него влияющих. Кроме того, он считал, что человек
является не компонентом биогеоценоза, а лишь мощным
фактором, на него действующим и нередко коренным обра-
зом его переделывающим.

Сознавая, что термины— вещь условная, В.Н. Сукачев
очень энергично выступал против термина «экосистема», от-
мечая что в России, где распространение получила аутоэко-
логия, термин «биогеоценоз» более правильно отвечает зада-
чам науки. Однако развитие экологии, особенно с 70-х гг.,
решило этот спор в пользу термина «экосистема».

1.6.	ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
П. ТЕЙЯРА ДЕ ШАРДЕНА

И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОНЯТИЯ НООСФЕРА

В конце XIX в. как развитие представления о единстве
человека и природы появилось положение о том, что человек
живет природой, которая как бы составляет его тело1. Меха-

1 «Практически универсальность человека проявляется именно в той
универсальности, которая всю природу превращает в его неорганическое
тело, поскольку она служит, во-первых, непосредственным жизненным сред-
ством для человека, а во-вторых, материей, предметом и орудием его жиз-
недеятельности. Природа есть неорганическое тело человека, а именно —
природа в той мере, в какой сама она не есть человеческое тело. Человек
живет природой. Это значит, что природа есть его тело, с которым человек
должен оставаться в процессе постоянного общения, чтобы не умереть», —
писал по этому поводу Ф. Энгельс.
низмы взаимодействия человека с природой чрезвычайно
разнообразны и включают в себя биологические, социальные
и социально-технические компоненты. Если эти компоненты
приводят к нарушениям в самосогласованной системе чело-
век— природа, то мы говорим о возникновении глобальных
экологических проблем. Тейяр де Шарден, Э. Леруа и
В.И. Вернадский в определенном смысле принесли в 20-е
столетие научные веяния и настроения прошлого столетия,
создавая преемственность в науке1.

Исходные позиции для анализа таких грандиозных поня-
тий, как биосфера и жизнь и конечные цели анализа, кото-
рые ставили перед собой Тейяр де Шарден и Э. Леруа, с од-
ной стороны, и В.И. Вернадский, с другой — были различ-
ными. Хронологически исследования всего комплекса про-
блем, связанных с биосферой, первым начал Тейяр де Шар-
ден1 2. Так как нас интересуют только его окончательные
взгляды на биосферу и ноосферу, то в дальнейшем мы будем
ссылаться лишь на монографию «Феномен человека», пред-
ставляющую развитие его первоначальных представлений об
этих предметах.

В основу учения о биосфере Тейяр де Шарден положил
эволюционно-биологический подход3, а его анализ был на-
столько глубоким и последовательным, что большинство вы-
водов актуальны и сейчас. В определенной степени им были
предвосхищены современные системно-структурные идеи в
экологии. В первую очередь это относится к вопросу об уров-
нях, к проблемам глобального развития, единого и многого и
т. д. Главный лозунг Тейяра де Шардена — «только лишь фе-

1 Все они верили в общее благо, справедливость и были верующими
людьми, хотя и каждый по-своему. Активную позицию здесь занимал только
Тейяр де Шарден.

2 Тейяр де Шарден теснейшим образом сотрудничал с Э. Леруа, и так
как церковь запретила Тейяру де Шардену печатать свои работы, связанные
с философскими проблемами, то такие важные работы, как «Необходимость
идеализма и факт эволюции» (Le Roy Е. L'exigence idealiste et le fait
1'evolution. Paris, 1927), где было введено понятие ноосфера, и «Происхожде-
ние человека и эволюция разума», где это понятие получило развитие, вы-
шли без его имени. Однако Э. Леруа не только пишет о «нераздельности»
своих взглядов и взглядов Тейяра де Шардена, но и всячески подчеркивает
роль последнего в разработке представлений о ноосфере и чуть ли не на ка-
ждой странице ссылается на него.

3 Для образного представления своих эволюционных возрений ои рас-
сматривает эволюцию как сочетание кольцевого и поступательного движе-
ния во «вздымающуюся спираль», т. е. в пространстве (как бы на сфере) и в
то же время по спирали (в пространстве-времени).
номен, но зато уж весь феномен»— позволил ему стать как
бы над борьбой различных материалистических и идеалисти-
ческих попыток объяснения мира и уйти от дилеммы, кото-
рую он сам определил как «материализм или спиритуа-
лизм1» и которая часто просматривается при обсуждении
экологических проблем и сегодня.

Мы будем широко пользоваться текстом монографии
«Феномен человека» с тем, чтобы наиболее точно представить
разработанную Тейяром де Шарденом панораму возникнове-
ния жизни на Земле, появления биосферы, ее эволюции и за-
рождения в ее недрах ноосферы. Он пишет: «Зачем искать
какие-то непонятные оплодотворяющие начала для нашей
планеты в космическом пространстве? Сама молодая Земля
по своему первоначальному химическому составу в целом и
есть тот чрезвычайно сложный зародыш, который нам ну-
жен». Рассматривая картину возникновения и эволюции
жизни, ученый подчеркивает взаимосвязь отдельных ее ком-
понентов и доказывает, что то, что мы сегодня рассматрива-
ем как целостную систему — биосферу, было целостным уже
на самой заре ее зарождения.

Согласно его взглядам, благодаря предварительной кон-
центрации материи появляется множество сложных веществ,
присущих планетам, и представляющих собой начальную
стадию более сложного процесса синтеза, происходящего во
Вселенной. Здесь выступает «фундаментальное условие, ко-
торое уже характеризовало первородную материю — единст-
во множества. Земля, вероятно, возникла случайно. Но, со-
гласно одному из самых общих законов эволюции, этот слу-
чай, едва появившись, был немедленно использован, преоб-
разован в нечто закономерно направляемое. Внутреннее
Земли выступает перед нами в форме органического целого,
где ни один элемент нельзя уже отделить от окружающих
его других элементов. В сердце великого неделимого — уни-
версума появилось новое неделимое, поистине — предбио-
сфера». С самых первых проблесков жизни в действие всту-
пает фундаментальный принцип: «все зависит от всего», или,
как учит современное естествознание, принцип самооргани-
зации.

Рисуя целостную картину эволюционного развития био-
сферы, автор начинает с основного кирпичика жизни — с
клетки. «Трудно подобрать для нее аналогии в одушевленном

Здесь и далее курсив наш. — Г.Б.
или неодушевленном мире. Мы по справедливости рассмат-
риваем клетки как первые живые формы», — пишет он. В то
же время явно проследить процесс образования жизни не-
возможно, так как «в универсуме в силу самих его размеров
должно было произойти многое, свидетелем чего не был чело-
век. Наряду с группой непосредственно регистрируемых яв-
лений наука должна учитывать в мире особый класс фак-
тов— фактов, не поддающихся прямому наблюдению или
экспериментированию. Появление первых живых существ,
судя по неоднократным неудачам наших попыток найти во-
круг нас что-либо эквивалентное или воспроизвести этот
процесс, как раз является одним из самых сенсационных со-
бытий в этой области. С этой точки зрения «клеточная рево-
люция» выступает как выражение на кривой эволюции Зем-
ли критической и уникальной точки зарождения - момент, не
имеющий себе подобных».

Иными словами, протоплазма могла возникнуть на Земле
только однажды, ровно так же, как за много миллиардов лет
до этого после Большого взрыва возникли ядра и электроны
(глава 4). Эта гипотеза успешно обосновывает органическое,
глубокое сходство между всеми живыми существами от бак-
терии до человека; и вместе с тем она объясняет, почему ни-
когда и нигде мы не обнаруживаем образования ни малей-
шей живой частицы, кроме как путем размножения.1 Эти
идеи первой половины нашего столетия созвучны с идеями
порядка из хаоса, диссипативных структур и бифуркаций, о
которых пойдет речь в главе 3.

Согласно Тейяру де Шардену, «в один прекрасный мо-
мент, по прошествии достаточно длительного времени в от-
дельных местах начали кишеть малюсенькие существа. Из
этого первоначального кишения вышла удивительная масса
организованной материи, сложный войлок которой образует
ныне последнюю (или, вернее, предпоследнюю) оболочку на-
шей планеты — биосферу. Подобную метаморфозу не объяс-
нишь простым непрерывным процессом. По аналогии со
всем тем, чему нас учит сравнительное изучение развития в
природе, к этому особенному моменту земной эволюции сле-
дует отнести созревание, перелом, рубеж, кризис крупнейше-
го масштаба — начало нового ряда».

1 Действительно, жизнь настолько изменила атмосферу, что необрати-
мым образом исключила возможность своего повторного зарождения.
Для своего дальнейшего существования на Земле эта ор-
ганическая материя должна была превратиться в биологиче-
ски связанную совокупность. Поэтому Тейяр де Шарден
пользуется тем, что сегодня называется экосистемным под-
ходом. Образно говоря, эта органическая материя «с самого
начала представляла собой своего рода рассеянный суперор-
ганизм, прелюдию к значительно более развитой эволюцион-
ной солидарности. Чтобы увидеть жизнь за множеством ин-
дивидуальных существований и их соперничеством, ни в ко-
ем случае нельзя упускать из виду единство биосферы. Вна-
чале это единство происхождения, общих рамок, рассеянного
порыва». Темп эволюции биосферы, направление эволюции и
ее результаты определяются в первую очередь многообразием
форм и игрой случая.

Все ныне живущие организмы могли происходить или от
одной-единственной прародительской группировки, или от
нескольких. «Согласно обеим гипотезам, живой мир Земли
обретает один и тот же любопытный облик целостности,
образованной из частичной группировки. Каким бы сложным
этот мир ни был при возникновении, он исчерпывает лишь
часть того, что могло быть! Биосфера в целом представляет
собой, таким образом, лишь одну наиболее высокую ветвь1
среди других, менее прогрессивных или менее удачных. Это
означает, вообще говоря, что появление первых клеток уже
ставит те же проблемы, что и возникновение каждого из тех
более поздних стеблей, которые мы будем называть «фила-
ми1 2». Стоит лишь случайно найти щель или формулу, откры-
вающую доступ в новое отделение жизни, как ветвь вступа-
ет в состояние мутации. Возникает новая фила, которая
растет и распускается, если, конечно, взято правильное на-
правление и если это позволяет общее равновесие биосферы».

Коль скоро сейчас положение человека в биосфере осо-
бое, то Тейяру де Шардену было необходимо ответить на во-
прос об относительной важности и совершенстве одних форм
жизни над другими и о направлении в эволюции. Что более
прогрессивно и совершенно: пчела, роза или человек? Не-

1 Согласно Тейяру де Шардену, ветвь — это наиболее широкий тип
оформленной совокупности, еще признаваемый систематикой внутри био-
сферы. Помимо позвоночных основную крону жизни образуют еще только
две ветви — ветвь червей и членистоногих и ветвь растений.

2 Филогенез, филогения — историческое развитие мира живых организ-
мов как в целом, так и отдельных таксономических групп: царств, типов
(отделов), классов, отрядов (порядков), семейств, родов, видов.
смотря на опасность быть обвиненным в антропоцентризме и
антропоморфизме1, он утверждает, что существуют опреде-
ленное направление и линия прогресса жизни. Для этого не-
обходимо проследить эволюцию сознания1 2 и мозговой массы.
«У млекопитающих, т. е. на этот раз внутри одного и того же
пласта, мозг в среднем значительно больше по объему и по
количеству складок, чем у какой-либо другой группы позво-
ночных». У всех животных развитие приводит ко все более
«цефализированным» формам.

Согласно автору, дифференциация нервного вещества
придает эволюции направленность и тем самым доказывает,
что она имеет смысл. Следствием этого является то, что
«мозг— указатель и мера сознания. Мозг постоянно совер-
шенствуется с течением времени, так что некоторое качество
мозга оказывается существенно связанным с некоторой фа-
зой длительности».

Здесь мы подошли к центральному моменту, к тому, что
необходимо для введения ноосферы. Тейяр де Шарден начи-
нает анализ проявления психических3 свойств в сформиро-
вавшейся в плиоцене биосфере. Его отправной пункт: «Как

1 Антропоцентризм — воззрение, согласно которому человек является
центром Вселенной и конечной целью всего мироздания. Антропоморфизм —
вид мышления, наделяющий животных и различные явления природы
свойствами и чувствами человека. В древности имел форму анимизма (оду-
шевления природы). Сейчас мы говорим: все экологические проблемы, свя-
занные с сохранением биосферы, следует рассматривать только сквозь
призму сохранения человечества.

2 Сознание — понятие, обозначающее высший уровень психической ак-
тивности человека как социального существа. Своеобразие этой активности
заключается в том, что отражение реальности в форме чувствительных и
умственных образов предвосхищает практические действия человека, при-
давая им целенаправленный характер. Это обусловливает творческое преоб-
разование действительности первоначально в сфере практики, а затем и во
внутреннем плане в виде представлений, мыслей, идей и других духовных
феноменов, образующих содержание сознания. Формированию сознания
человека предшествовал длительный период психологического развития жи-
вотных, у которых имеются зачатки интеллекта как особой формы рассу-
дочной деятельности, остающейся, однако, неосознанной.

3 Психика— свойство высокоорганизованной материи, являющееся
особой формой отражения субъектом объективной реальности. Будучи про-
дуктом жизнедеятельности субъекта, психика, опосредуя ее, выполняет
функцию ориентации, управления ею. Возникая на определенной ступени
биологической эволюции, психика представляет собой необходимое условие
дальнейшего развития жизни. Изменяясь и усложняясь, психическое отра-
жение приобретает у человека качественно новую форму — форму сознания,
порождаемого его жизнью в обществе, теми общественными отношениями,
которые опосредуют его связи с миром.
мы установили, жизнь— это подъем сознания. Достаточно
очевидно, что растения в счет не идут1 и поэтому нужно рас-
смотреть со стороны членистоногих— насекомых, а со сто-
роны позвоночных— млекопитающих и ответить, на какой
стороне будущность и истинность. Что касается насекомых,
то они слишком малы, а высшие формы психизма физически
требуют крупных мозгов. Только внутри млекопитающих су-
ществуют предпосылки для нового эволюционного подъема».
Действительно, к концу плиоцена приматы сумели подняться
путем последовательных взлетов до самых границ разума. У
приматов эволюция, пренебрегая всем остальным и, следова-
тельно, оставляя его пластичным, затронула непосредственно
мозг. Вот почему в восходящем движении к наибольшему
сознанию они оказались впереди. «После тысячелетий подъе-
ма за горизонтом, в строго локализованной точке сейчас
вспыхнет пламя. Вот и мысль! Цереброрукие— окончание
этой ветви, а человекообразные — почка».

Споры о наличии направления и определенной оси эво-
люции были и будут. Ровно так же, как были и будут разно-
гласия по вопросу о том, отличается ли по природе человече-
ская психика от психики существ, появившихся до него.
Тейяр Де Шарден считает необходимым «решительно устра-
нить из совокупности человеческих поступков все второсте-
пенные и двусмысленные проявления внутренней активно-
сти и рассмотреть центральный феномен— рефлексию1 2. Ра-
зум— эволюционное достояние только человека... Разумеет-
ся, животное знает. Но, безусловно, оно не знает о своем
знании — иначе оно бы давным-давно умножило изобрета-
тельность и развило бы систему внутренних построений, ко-

1 Как замечает автор, никак нельзя отрицать наличие психизма у рас-
тений. «В качестве примера можно указать на западни для насекомых, уст-
раиваемые некоторыми растениями, чтобы убедиться, что, хотя бы и отда-
ленно, ветвь растений, как и две другие, подчиняется закону подъема соз-
нания. Тем не менее у них не удается проследить вдоль какой-либо нервной
системы эволюцию психизма».

2 По его определению «...рефлексия— это приобретенная сознанием
способность сосредоточиться на самом себе и овладеть самим собой как
предметом, обладающим своей специфической устойчивостью и своим спе-
цифическим значением, — способность уже не просто познавать, а позна-
вать самого себя; не просто знать, а знать, что знаешь ... Рефлектирующее
существо в силу самого сосредоточивания на самом себе внезапно становит-
ся способным развиваться в новой сфере. В действительности — это воз-
никновение нового мира. Абстракция, логика, обдуманный выбор и изобре-
тательность, математика, искусство, рассчитанное восприятие пространства
и длительности, тревоги и мечтания любви».
торая не ускользнула бы от наших наблюдений. ...Будучи
рефлектирующими, мы не только отличаемся от животно-
го, но мы иные по сравнению с ним».

Инстинкт в своих различных выражениях неразрывно свя-
зан с самим явлением жизни и зависит от нее. Возникновение
разума связано с развитием не только нервной системы, но и
всего существа. Согласно Тейяру де Шардену, нас не должна
пугать «констатац ия того, что этот шаг должен был совершить-
ся сразу. Если переход к рефлексии действительно, как того
требует его физическая природа и как мы это допустили, есть
критическая трансформация, мутация от нуля ко всему, то
невозможно представить себе на этом точном уровне промежу-
точного индивида. Надо решиться допустить, что ее (мысли)
появление произошло между двумя индивидами. Возникнове-
ние мысли представляет собой порог, который должен быть пе-
рейден одним шагом, интервал, за которым мы переходим на
совершенно новый биологический уровень».

Таким образом, вначале имела место дифференциация
нервного вещества, затем произошла критическая транс-
формация — переход к рефлексии и, как следствие в социу-
ме, т. е. между двумя индивидами возникла мысль. Цефали-
зация, которой много внимания уделял В.И. Вернадский, ко-
нечно, важна, но она характеризует эволюцию любых жи-
вотных или членистоногих, а для эволюции приматов крити-
ческой трансформацией был переход к рефлексии.

С гоминизацией, согласно Тейяру де Шардену, начинает-
ся новая эра. «Среди последовательных этапов, пройденных
эволюцией, возникновение мысли непосредственно следует
за конденсацией земного химизма или за самим возникнове-
нием жизни и сравнимо по своему значению лишь с ними».
Появляется новая сфера для дальнейшего развития жизни и,
следовательно, биосферы — это — ноосфера. Изменение био-
логического состояния, приведшее к пробуждению мысли,
знаменует собой превращение, затрагивающее состояние
всей планеты».

Конечно, появление ноосферы должно быть вначале поч-
ти незаметным, а поиск ее истоков приводит нас к питекан-
тропам или синантропам, так как они были в полном смысле
слова разумными существами. «Хотя они и предгоминиды по
строению черепа, но вполне определенно размещаются выше
точки возникновения и распространения нашего человечест-
ва. Синантроп уже обтесывал камни, он добывал огонь... —
эти две способности, как и рефлексия, повсюду выступают
одновременно с человечеством».

Только в неолите между людьми начинает возникать
большая спаянность и зарождается цивилизация. И, следова-
тельно, начинается становление ноосферы. Можно сказать,
что социально — в области собственности, морали, брака,
было испробовано все. Появляется вкус к исследованиям и
потребность в них. Образуются традиции. Развивается кол-
лективная память. На развитие жизни все большее воздейст-
вие начинает оказывать феномен социальности.

Как пишет ученый, «человеческая история на свой лад и
на своем уровне реально продолжает органическое развитие
жизни. Благодаря присущим ей феноменам социального раз-
ветвления она все еще является естественной историей. Но
здесь явления слияния гораздо тоньше и богаче биологиче-
скими возможностями. Мы отпустили последние канаты, ко-
торые еще удерживали нас в неолите... мы переживаем пери-
од изменения эры. Эра промышленности. Эра нефти, элек-
тричества и атома. Эра машины. Эра крупных коллективов и
науки. Мы имеем возможность сказать, что ценой наших
лишений в нас самих и вокруг нас делается еще один, ре-
шающий шаг жизни. Удача и честь нашего краткого сущест-
вования заключена в его совпадении с преобразованием ноо-
сферы». Развивая в систематической форме учение о пере-
растании биосферы в ноосферу, Тейяр де Шарден дал обра-
зец построения интегрального учения о ноосфере как дисци-
плине, т. е. того, что впоследствии стали называть ноогени-
кой или ноогенезом. Он пишет: «Эволюция не просто включа-
ет мысль в качестве аномалии или эпифеномена1, а легко
отождествляется с развитием, порождающим мысль, и сво-
дится к нему. Человек— не что иное, как эволюция, осоз-
навшая саму себя».

После этого он показывает, что ноосфера, возникшая в
процессе эволюции биосферы, это не игра разума, а реаль-
ный объект. «По привычке мы разгораживаем человеческий
мир на отсеки различных реальностей: естественное и искус-
ственное, физическое и моральное, органическое и юридиче-
ское. Что на самом деле представляет собой хитросплетение

1 Эпифеномен — философский и психологический термин, обозначаю-
щий явление, сопутствующее в качестве побочного продукта другим фунда-
ментальным явлениям, но не оказывающее на них никакого влияния. Неко-
торые представители философского волюнтаризма рассматривали сознание
в качестве эпифеномена — орудия бессознательной мировой воли.
набора социальных рамок, какими бы условными и изменчи-
выми они ни казались, как не усилие мало-помалу выделить
то, что однажды должно стать структурными законами ноо-
сферы? Социальный феномен — кульминация, а не ослабле-
ние биологического феномена».

Следуя Тейяру де Шардену, наши искусственные соору-
жения не что иное, как закономерное продолжение нашего
филогенеза. Не менее закономерно и изобретательство, бла-
годаря которому одно за другим появляются творения чело-
веческой мысли. Все это он рассматривает как осознанное
продолжение скрытого механизма, регулирующего произра-
стание всякой новой формы на стволе жизни. «Искусствен-
ные» сооружения, т. е. наглядно зримый аспект ноосферы,
который можно просто пощупать, получил впоследствии на-
звание «техносфера», а «хитросплетение социальных ра-
мок» — социосфера.

Конечно, ноосфера, согласно Леруа и Тейяру де Шардену,
более, чем сумма социосферы и техносферы. Последняя к то-
му же часто сводится у нас к каким-то частным природо-
охранным мероприятиям или модели, с помощью которой
можно управлять развитием биосферы. Ноосфера же высту-
пает у них как следующая над биосферой, высокоспециали-
зированная оболочка нашей планеты.

Уже упоминавшееся состояние «общей озабоченности», ко-
торое бурно проявилось в мире в 60—70-х гг., рассматривалось
Тейяром де Шарденом еще в 40-х гг. Он пишет: «Универсум
всегда развивался, и он продолжает развиваться в этот самый
момент. Но будет ли он еще развиваться завтра? Нынешних
людей беспокоит то, что они не уверены и не надеются когда-
нибудь быть уверенными в исходе, надлежащем исходе этой
эволюции. Теперь уже не простое поле, как бы оно ни было ве-
лико, а вся Земля требуется, чтобы снабжать каждого из нас.
Не правда ли, возникает, если можно так выразиться, великое
тело, со своими членами, своей нервной системой, своими вос-
принимающими центрами, своей памятью...»

Вся его концепция базируется на том, что человечество
едино. Для человека нет будущего, ожидаемого в результате
эволюции, вне его объединения с другими людьми. С этим не-
разрывно связано и то, что «чем больше человек будет стано-
виться человеком, тем меньше он согласится на что-либо иное,
кроме бесконечного и неистребимого движения к новому.
Жизнь, достигнув своей мыслящей ступени, не может продол-
жаться, не поднимаясь структурно все выше».
Философия П. Тейяра де Шардена жизнеутверждающая:
«Выход для мира, двери для будущего... откроются лишь под
напором всех вместе, хотя реальный сценарий необходимо
уточнить и над степенью физической реальности его пораз-
мыслить».

Действительно, компьютеризация, например, с после-
дующей информационной революцией, которую не мог пред-
видеть ученый, демонстрирует нам сегодня как свои дости-
жения, так и несомненно отрицательные моменты в плане
духовного развития личности.

Мы видим, что эта тенденция была замечена им уже в
40-х гг. В этой связи он пишет: «Мы страдаем и беспокоимся,
замечая, что нынешние попытки коллективизации человече-
ства приводят вопреки предвидениям теории и нашим ожи-
даниям лишь к упадку и к порабощению сознаний. Но какой
до сих пор мы избирали путь для единения? Защита матери-
ального положения. Создание новой отрасли промышленно-
сти ... Человек не может полностью видеть ни себя вне чело-
вечества, ни человечество — вне жизни, ни жизнь — вне
универсума».

Подведем итоги. В интерпретации Тейяра де Шардена
биосфера — в такой же степени универсальная оболочка, как
и другие «сферы», и даже значительно более индивидуализи-
рованная, чем они, поскольку она представляет собой не бо-
лее или менее непрочную группировку, а единое целое. Без
замкнутого химизма молекул, клеток и филетических ветвей
никогда бы не было ни биосферы, ни ноосферы. Появление и
развитие жизни и мысли не только случайно, но и является
закономерным результатом эволюции Вселенной, а самое но-
вое и замечательное событие на этом пути — возникновение
ноосферы.

1.7.	ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В.И. ВЕРНАДСКОГО О НООСФЕРЕ

Каково же было отношение В.И. Вернадского к понятию
ноосфера? Известно, что в 1936-1937 гг. он писал: «Леруа раз-
вил глубже мою биосферу ... новое понятие „ноосферы" позво-
ляет ввести исторический процесс человечества как продолже-
ние биогеохимической истории живого вещества». В России
проблематика, связанная с ноосферой, становится через много
лет после смерти В.И. Вернадского модной в гуманитарных
науках, а В.И. Вернадский объявляется основателем новой нау-
ки— ноосферологии, или ноогенеза. В чем же заключались
представления В.И. Вернадского о ноосфере1 и как они соотно-
сятся с представлениями Э. Леруа и П. Тейяра де Шардена.

В первой из двух известных работ В.И. Вернадского на
эту тему слово ноосфера упоминается всего восемь раз, если
считать его и в заголовках. О чем идет речь? Первый и ос-
новной тезис В.И. Вернадского: «Человек своим трудом — и
своим сознательным отношением к жизни — перерабатыва-
ет земную оболочку... биосферу... в новое геологическое со-
стояние: в ноосферу». Таким образом, ноосфера это изме-
ненное человеком состояние биосферы, а не новая сфера. В
зависимости от позиции это можно и принять, однако о ка-
кой сознательности здесь может идти речь!?

Именно эта тема, т. е. то, что мы имеем «новое геологиче-
ское состояние», развивается автором. Далее мы читаем:
«Биогеохимическая история химических элементов — пла-
нетное явление — резко меняется ... Создаются новые расы и
вещества... ученый, изобретатель, государственный деятель
может иметь основное решающее и направляющее значение,
проявляться как геологическая сила».

Подход В.И. Вернадского резко отличен от подхода Тейя-
ра де Шардена: ноосфера это не новая и последняя оболочка,
возникшая в недрах биосферы, а просто современное со-
стояние биосферы! Основные изменения в ней — «в основе
своей биогеохимические». Для него, как геохимика, ярким
проявлением наступления ноосферы являются новые веще-
ства вокруг нас, например: чистое железо, алюминий...1 2

Философская и футурологическая стороны его подхода
звучат сегодня не очень убедительно: «Сейчас в биосферной
земной оболочке происходит бурный расцвет, дальнейшая
история которого представляется нам грандиозной». Дейст-
вительно, в самой биосфере, чтобы под ней не подразумева-
ли, темп изменений резко возрос. Однако «дальнейшая исто-
рия» у нас вызывает серьезное беспокойство. Затем ко всему
этому добавилась политическая компонента, которая, веро-
ятно, явилась своеобразной реакцией ученого на те тяже-

1 Термин «ноосфера» появляется в двух его последних обзорных работах:
«Проблемы биогеохимии», 1939 и «Несколько слов о ноосфере», опубликован-
ной в «Успехах современной биологии» в 1944 г. Последняя работа, кроме
того, появилась в чуть сокращенном виде на английском языке уже после его
смерти (American Scientist, 1945).

2 В этой связи крайне неожиданным является утверждение В.И. Вер-
надского о том, что «Э. Леруа (с Тейяром де Шарденом) ввел в 1927 г. поня-
тие ноосферы как современной стадии, геологически переживаемой био-
сферой».
лейшие испытания, которые выпали на долю народов СССР
во время второй мировой войны. «...В переживаемой нами
великой исторической трагедии мы интуитивно пошли по
правильному пути, который отвечает ноосфере». Он пишет «о
перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего че-
ловечества как единого целого», «...человек ...может и должен
перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни,
перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что
было раньше. Перед ним открываются все более и более ши-
рокие творческие возможности. И, может быть, поколение
наших внуков уже приблизится к их расцвету».

«Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в нее— в новый
стихийный геологический процесс — в грозное время, в эпо-
ху разрушительной мировой войны. Но важен для нас факт,
что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным,
геологическим процессом, с законами природы, отвечают
ноосфере». Вероятно, эти мотивы вместе с определенными
идеями космизма и послужили причинами создания совет-
скими философами (под флагом В.И. Вернадского) своего
учения о ноосфере и ноосферогенезе.

Что нового мы видим в монографии «Химическое строе-
ние биосферы Земли и ее окружения», изданной первый раз
через 20 лет после смерти автора и для которой В.И. Вернад-
ский не успел написать главу о ноосфере? Лейтмотив по-
прежнему тот же: «В ноосфере геологическая роль человека
ведущая». Мы встречаем высказывания, поначалу, казалось
бы, вполне созвучные тем, которые имели место и у Тейяра
де Шардена, но заканчивающиеся неожиданно совсем на
другой ноте.

Имеются несогласованности хронологического плана.
Так, в одном месте можно прочесть: «Как мною указано, к
последнему ледниковому периоду относится последний ска-
чок эволюционного процесса— появление Homo sapiens... и
особого состояния биосферы — ноосферы». В другом гово-
рится, что «в наше время Homo sapiens охватил планету и
подходит к переработке ее в ноосферу...» Затем снова: «Толь-
ко в ноосфере многоклеточный организм человека начинает
входить как заметная геологическая сила, и пока его геологи-
ческий эффект начинает сказываться только в течение одной
трехтысячной времени существования научно познаваемой
жизни планеты». Возникает вопрос: при чем здесь многокле-
точность организма человека?
Создается впечатление, что в монографии были собраны
разнородные высказывания без учета контекста и это приве-
ло к шероховатостям. В то же время здесь появляются неко-
торые наметки на разработку темы ноосферы, но, к сожале-
нию, В.И. Вернадский не успел выполнить свои планы. Так,
например, по-прежнему в работе звучат идеалистические
нотки, но уже с чертами реализма: «...стало ясным и все
больше проникает в сознание человечества, что перед ним
сейчас имеется полная реальная возможность не допустить
недоедания и голодания, нищеты и чрезвычайно ослабить
болезни, продолжить до максимума длительность человече-
ской жизни. Но борьба за это открывающееся перед челове-
чеством новое будущее далеко не закончилась, и пройдет все
же несколько, вероятно, немного поколений, пока оно неиз-
бежно как природный стихийный процесс ярко выявится в
ноосфере в действительности».

Автор подчеркивает роль науки при переходе к ноосфере:
«...научный аппарат фактов, охваченный все больше и боль-
ше математикой, есть то новое орудие, с которым человек
входит в ноосферу». Но сразу же отмечает, что в конечном
итоге важнее всего то, что мы сегодня называем экологиче-
скими последствиями: «С биогеохимической точки зрения
важны, конечно, не научная мысль, не научный аппарат, не
орудия науки, но тот реальный результат, который сказыва-
ется в геологических явлениях, вызванных мыслью и работой
человека в новом состоянии биосферы, которое им создает-
ся, — в ноосфере».

И, наконец, в главе XIX мы находим высказывание, зву-
чащее достаточно современно с точки зрения глобальной
экологии: «Леса и поля являются местами первостепенного
значения в этом процессе. Человек, вырубая леса и создавая
поля по своему усмотрению и по своим потребностям, меняет
характер биосферы, изменяет лик планеты, создает бесчис-
ленное множество новых в истории биосферы физико-
химических процессов, пока действует более или менее бес-
сознательно. В ноосфере урегулирований этой функции чело-
века должно явиться одной из основных черт ее будущей
структуры». Это, наверное, самое рациональное с позиций
современной экологии его высказывание.

Подведем итоги. Мы можем сказать, что в настоящее
время нет единого трактования понятия ноосферы. Согласно
Тейяру де Шардену, это новая индивидуализированная обо-
лочка, представляющая собой единое целое и позволяющая
лучше познать биосферу. В нее составными частями входит
то, что иногда выделяют в качестве техносферы и социосфе-
ры. Для решения или смягчения глобальных экологических
проблем необходимо существование саморегулирующейся
сложной биологической системы— биосферы, воздействие
на которую ноосферы должно быть минимизировано.

Согласно В.И. Вернадскому, ноосфера это современная
стадия, геологически переживаемая биосферой. Вряд ли в
этом случае можно говорить о ноосфере как качественно но-
вой форме организованности, возникшей при взаимодейст-
вии природы и общества. Если в этом случае речь идет об ор-
ганизованности, то это не самоорганизованность, а органи-
зованность, создаваемая человеком, и, как писал автор,
«культурные виды животных и растений имеют для нас тот
же самый и, пожалуй, даже больший интерес, чем дикая жи-
вая природа». Иными словами, биосферу можно заменить
искусственно созданной системой. На современном языке
это значит оказать на самоорганизованную систему громад-
ной сложности такое воздействие, которое будет определять
ее функционирование. Мы знаем сегодня, что в таком случае
система или полностью деградирует, или перейдет в состоя-
ние, неприемлемое для прежних форм жизни.

В отечественной экологической литературе под термином
ноосфера наиболее часто подразумевается новое эволюцион-
ное состояние биосферы, при котором разумная деятельность
человека становится решающим фактором ее развития.

1.8.	ЗАКОНЫ, ПРИНЦИПЫ
И ПРАВИЛА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОСФЕРЫ

В физике, химии и биологии действуют определенные за-
коны и правила, без знания которых невозможно работать в
каждой из областей. Многие экологи хотели бы, чтобы и в
экологии, там, где это касается глобальных экологических
проблем, ситуация была бы подобной. Камнем преткновения
является чрезвычайная сложность экосистем и особенно гло-
бальной экосистемы. Междисциплинарный характер эколо-
гии и разное отношение к законам и закономерностям у
представителей фундаментальных и прикладных наук при-
вели к тому, что формулировкой аксиоматики экологии часто
занимались представители прикладных наук, которые просто
попытались переносить законы, известные им из фундамен-
тальных наук, в экологию. Как результат появилось множест-
во законов и аксиом, которые в общепринятом смысле тако-
выми не являются. Причиной этого в значительной степени
является узкопрофессиональный подход, который подменяет
собой единственно возможную методологическую основу
экологии — системный анализ целостных систем и его выс-
шую (иерархическую) ступень— структурный анализ. Ак-
сиомы должны вытекать из того, что мы имеем сложную и
соподчиненную систему и усложнение систем приводит к
эмерджентности, т. е. к появлению свойств, отсутствовавших
на предыдущем уровне1. Важность законов в определенной
мере связана с их числом. Чем их меньше, тем они весомее.

Теми областями, где формулировка подобных законов
сейчас представляется в какой-то степени подготовленной,
являются области экологии, пограничные с физикой и биоло-
гией. Известно, что естественные экосистемы состоят из
абиотических (детерминированных) и биотических (стохас-
тических) компонентов и в идеальном случае наход ятся в со-
стоянии гомеостазиса. При внешнем воздействии на систему
возможен расчет динамики абиотических компонентов. Это,
в свою очередь, вызывает следствия в виде динамики (де-
градации) биотических компонентов. Внесение энергии не-
обходимо для сохранения устойчивости.

Одна из первых попыток осуществить систематику в
этой области была предпринята Межведомственной комисси-
ей по экологической безопасности при Совете безопасности
Российской Федерации в 1993 г. Ниже мы просто перечислим
эти законы, принципы и правила.

Законы:

1.	Внутреннего динамического равновесия: вещество,
энергия, информация и качества отдельных природных сис-
тем и их иерархия взаимосвязаны настолько, что любое из-
менение одного из этих показателей вызывает сопутствую-
щие функционально-структурные качественные и количест-
венные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-
энергетических, информационных и динамических качеств
систем в их иерархии.

2.	Все или ничего (X. Боумеча): слабые воздействия мо-
гут не вызывать у природной системы ответных реакций до

1 Качественно новые, эмерджентные, свойства экологического уровня,
или экологической единицы, нельзя предсказать исходя из свойств компо-
нентов, составляющих этот уровень, или единицу.
тех пор, пока, накопившись, они не приведут к развитию
бурного динамического процесса.

3.	Минимума (Ю. Либиха): жизненные возможности ли-
митируют экологические факторы, количество и качество
которых близки к необходимому организму или экосистеме
минимуму, дальнейшее их снижение ведет к гибели организ-
ма или деструкции экосистемы.

4.	Эволюционно-экологической необратимости: эко-
система, потерявшая часть своих элементов, не может вер-
нуться в первоначальное состояние.

5.	Незаменимости биосферы (В.Г. Горшкова): сокра-
щение естественной биоты в объеме, превышающем порого-
вое значение, лишает устойчивости окружающую среду, ко-
торая не может быть восстановлена за счет создания очист-
ных сооружений и перехода к безотходному производству.

Принципы:

1.	Принцип Ле Шателье—Брауна: при внешнем воздей-
ствии, выводящем систему из состояния устойчивого равно-
весия, равновесие смещается в том направлении, при кото-
ром эффект внешнего воздействия ослабляется.

2.	Удаленности событии: явление, удаленное во време-
ни и в пространстве, кажется менее существенным. (В при-
родопользовании этот принцип особенно часто становится
основой неверных практических действий.)

3.	Внезапного усиления патогенности: неожиданное i
усиление патогенности возникает при мутации болезнетвор-
ного организма, при внедрении нового болезнетворного ор-
ганизма в экосистему, где нет механизмов регуляции числен-
ности или при очень резком изменении среды жизни для
экосистемы.

4.	Разумной достаточности и допустимости риска: (
расширение любых действий человека не должно приводить
к социально-экономическим и экологическим катастрофам.

Правила:

1.	Взаимопрнспособленностн (Мебиуса-Морозова): ви-
ды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их I
сообщество составляет внутренне противоречивое, но единое
и взаимно увязанное системное целое.

2.	Интегрального ресурса: конкурирующие в сфере ис-
пользования конкретных природных систем отрасли хозяй- I
ства неминуемо наносят ущерб друг другу тем сильнее, чем j
значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый эко-
логический компонент или всю экосистему в целом.
3.	Меры преобразования природных систем: в ходе
эксплуатации природных систем нельзя переходить некото-
рые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойст-
во самоподцержания (самоорганизации и саморегуляции).

4.	Соответствия условий среды генетической пред-
определенности организма: вид организма может сущест-
вовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его
природная среда соответствует генетическим возможностям
приспособления этого вида к ее изменениям.

5.	Цепных реакций «жесткого» управления природой:
«жесткое», как правило, техническое управление природными
процессами чревато цепными реакциями, многие из которых
оказываются экологически, социально, экономически непри-
емлемыми.
Глава 2

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНЕРГИИ

2.1. ТЕРМОДИНАМИКА И ЭКОЛОГИЯ

Все объекты, представляющие непосредственный инте-
рес для экологии, состоят из огромного количества атомов
или молекул, взаимодействие которых между собой опреде-
ляется электромагнитными взаимодействиями и подчиняется
законам механики. Понять, почему огромные скопления ато-
мов и молекул ведут себя так или иначе, чрезвычайно слож-
ная задача. Пытаться получить какие-то ответы на вопросы,
связанные с экологией, просто с помощью законов квантовой
механики или электромагнетизма невозможно. Мы ведь не
собираемся следить за отдельными атомами или молекулами,
поведение которых описывается законами квантовой меха-
ники. Опыт подсказывает, что поведение вещества во мно-
гих случаях можно понять, ничего не говоря об атомах или
молекулах. Всем известно, например, что при сжатии тело
нагревается, а при нагревании расширяется. Найти связь
между такими явлениями, не занимаясь строением вещества,
позволяет наука— термодинамика. С ее помощью можно
понять, например, почему энергия солнечного излучения час-
тично переходит в энергию биомассы или как она превраща-
ется в энергию ветра и в гидроэнергию. Более того, почему
одновременно имеет место и энергетический баланс — Земля
рассеивает обратно в окружающее пространство с достаточ-
ной точностью всю энергию, поступающую от Солнца.

Слово «термодинамика» состоит из двух греческих слов,
означающих «тепло» и «сила». Это наука о наиболее общих
свойствах макроскопических систем, находящихся в состоя-
нии равновесия, и о процессах перехода между этими со-
стояниями. Она строится на основе фундаментальных прин-
ципов (начал), которые являются обобщением многочислен-
ных наблюдений и выполняются независимо от конкретной
природы образующих систему тел. Поэтому закономерности
и соотношения между физическими величинами, которые
дает термодинамика, имеют универсальный характер. Клас-
сическая термодинамика не зависит от атомных или молеку-
лярных моделей, так как она возникла в начале XIX столетия
до появления науки об атомах, молекулах и их свойствах. В
этом ее притягательная сторона, если мы хотим использовать
ее результаты для решения в самом общем виде каких-либо
прикладных задач, например в экологии.

Такие представления классической термодинамики, как
закон сохранения энергии, свободная энергия, энтропия, ко-
эффициент полезного действия (КПД), качество энергии и
принцип Ле Шателье прочно вошли и в экологию. Они как бы
задают те рамки, которые строго ограничивают условия про-
текания всевозможных процессов в окружающей среде (под-
черкнем специально: рамки, но не проведение реальных рас-
четов систем, представляющих интерес для экологии). По-
пытки проведения детальных расчетов сталкиваются с труд-
ностями, а затем и с ограниченностью метода.

После становления атомной и молекулярной физики тер-
модинамика получила в начале нашего столетия интерпрета-
цию на микроскопическом уровне. Появилась статистиче-
ская термодинамика, связывающая макроскопические свой-
ства, например температуру или давление, с усредненными
микроскопическими свойствами. Построив мост между мик-
роскопическими и макроскопическими свойствами системы,
статистическая термодинамика позволила на молекулярном
уровне интерпретировать такие термодинамические поня-
тия, как работа, теплота или энтропия, и выяснить границы
применимости термодинамики. Если, в случае классической
термодинамики, физическим объектом, для которого она по-
зволяет делать всевозможные расчеты, являлся в основном
идеальный газ, то теперь оказалось возможным достаточно
строго рассматривать не только реальные газы, но и жидко-
сти и растворы. Конечно, ничто не даетей даром. Явное или
скрытое применение статистической физики усложняет, как
правило, картину и лишает, таким образом, в определенной
степени термодинамику ее притягательности. Более того, не-
которые биологи и экологи начали формально использовать
достижения статистической термодинамики, опять-таки за-
бывая об области ее применимости.

Основная ценность классической термодинамики состоя-
ла в том, что она позволила изучать наиболее общие свойства
макроскопических систем, находящихся в состоянии термо-
динамического равновесия (т. е. таком состоянии, в которое
переходит изолированная макроскопическая система по ис-
течении достаточно большого промежутка времени), и пере-
ходы между этими состояниями. При этом нужно иметь в
виду следующие четыре обстоятельства:

1.	Она не описывает протекания процессов во времени, а
дает точные соотношения между измеряемыми свойствами
систем и отвечает на вопрос, насколько глубоко пройдет
процесс (эволюция системы), прежде чем будет достигнуто
равновесие.

2.	Термодинамические методы не связаны с какими-либо
допущениями относительно деталей структуры системы (мо-
лекул, клеток, организмов, популяций и т. п.) или механизмов
явлений, приводящих к равновесию.

3.	Существенны только начальные и конечные состояния,
а не то, как прошел изучаемый процесс: в равновесных или
неравновесных условиях.

4.	Классическая термодинамика (задавая ось времени) не
оперирует временем как параметром. Время вошло в термо-
динамику тогда, когда она обратилась к изучению нелиней-
ных и неравновесных процессов, однако в этом случае мы
имеем дело со статистической термодинамикой, очень дале-
кой от упомянутой выше классической термодинамики и не
позволяющей пока проводить численные оценки, существен-
ные для экологии.

В термодинамике очень важны соотношения, которые
называются уравнениями состояния. Термодинамика ничего
не говорит относительно функциональной формы уравнения
состояния, за исключением того, что уравнение состояния
должно удовлетворять некоторым условиям устойчивости.
Для каждой конкретной системы уравнения состояния опре-
деляются эмпирически или методами статистической меха-
ники, так что в рамках термодинамики они считаются за-
данными при определении системы.

Вне всякого сомнения, из точных наук термодинамика в
большей степени, чем какая-либо другая, необходима для
решения экологических проблем. Можно сказать, что для
экологов целью овладения методами термодинамики являют-
ся:

1.	Использование их для последовательного анализа мак-
росистем, встречающихся в окружающем нас мире. Речь
идет в первую очередь о процессах, происходящих в биосфе-
ре и в экосистемах.
2.	Получение достаточно полного представления о таком
«интуитивно» ясном понятии, как энергия, и о законах ее
превращения.

3.	Анализ естественной направленности процессов в ок-
ружающей среде и в свете этого лучшее понимание смысла
термина «энтропия».

4.	Понимание основ современной энергетики — самого
важного фактора антропогенного воздействия на окружаю-
щую среду.

5.	Знакомство с такими, часто встречающимися в эколо-
гической литературе понятиями, как негоэнтропия и эксер-
гия.

6.	Получение представления о КПД любых энергетиче-
ских установок, о качестве энергии и о тепловом загрязнении
окружающей среды.

7.	Знакомство с физическими основами регулирования
энергетического баланса, и прежде всего рационального рас-
ходования высококачественных энергетических ресурсов и
создания экологически более чистых источников энергии.

8.	Знакомство с принципом Ле Шателье и его применение
в экологии.

9.	Исследование связей и временных зависимостей меж-
ду процессами и явлениями. Понимание того, как и почему
появились синергетика и нелинейная термодинамика, столь
необходимые для построения общей теории эволюции.

10.	Знакомство с современными представлениями о про-
исхождении жизни, возникновении биосферы и ее эволюции,
что предполагает, в свою очередь, использование таких по-
нятий, как стационарное и нестационарное состояния, флук-
туации и бифуркации, порядок и хаос, диссипативные
структуры, соотношения взаимности.

Даже не очень детальное знакомство с окружающим нас
миром показывает, что некоторые его частц можно рассмат-
ривать как функционирующие подобно механизмам. В то же
время большинство систем во Вселенной обменивается энер-
гией или веществом с окружающей средой. Среди таких сис-
тем для нас в первую очередь представляют интерес экоси-
стемы. Конечно, сюда же относятся и социальные системы,
но ввиду их огромной сложности они оказываются вне рамок
данного учебника. Чрезвычайно широкая распространен-
ность подобных систем во Вселенной говорит о том, что рав-
новесие, стабильность и порядок не являются определяющи-
ми в ней. Что же является общим и определяющим для про-
цессов, происходящих в любых системах? Этим общим явля-
ется сохранение энергии1 в самых различных преобразова-
ниях, имеющих место, например, в физических, химических
или биологических системах при протекании там известных
и еще неизвестных процессов. Важность понятия «энергия»
была хорошо понятна еще в классической ньютоновой (га-
мильтоновой) динамике1 2.

Существенное развитие представления об энергии получи-
ли в 40-х гг. XIX столетия. Немецкие ученые Ю.Р. Майер и
Г. Гельмгольц практически одновременно заинтересовались од-
ним из существеннейших биологических процессов — дыхани-
ем. Они обратили внимание на то обстоятельство, что в случае
дыхания оказывается возможным описать функционирование
живых организмов в физических и химических терминах: рас-
ход кислорода при горении, тепловыделение и механическая
работа. Такое расчленение сложного процесса на его состав-
ляющие не всегда реализуется даже и сейчас при изучении эко-
систем. Тем более в середине прошлого столетия такой подход
представлял собой нечто совсем новое. Результат не заставил
себя ждать, и ученые независимо друг от друга пришли к за-
ключению о всеобщем характере закона сохранения энергии и
о том, что он всегда выполняется в природе.

Заслуги Майера и Гельмгольца несомненны, но никак не
менее велики заслуги и Дж. Джоуля с его основополагающи-
ми экспериментами, действительно давшими «путевку в
жизнь» этому закону. Более того, результаты его эксперимен-
тов оказали большое влияние на крупнейшего физика и са-
мого авторитетного ученого второй половины XIX в.
У. Томсона (лорда Кельвина). Благодаря ему в научных кру-
гах возобладало мнение, что энергия — самое фундаменталь-
ное понятие, присутствующее во всех явлениях, тогда как
силы могут появляться и исчезать. Понятие энергии, исполь-
зовавшееся в середине XIX в. как удобный инструмент для
анализа процессов в замкнутых системах, стало центральным
понятием в науке. Энергия оказалась той пружиной, которая

1 Примем пока, что энергия это параметр, характеризующий состояние
системы. Что такое энергия и закон сохранения энергии мы рассмотрим
ниже в этой главе.

2 В учебнике физики можно прочесть, что в процессе движения значе-
ния канонических переменных (координат и импульсов) изменяются, зна-
чение же гамильтониана системы, имеющего смысл механической энергии
физической системы, остается постоянным. Перераспределяется только от-
носительная значимость потенциальной и кинетической энергий.
определяет функционирование всех живых и неживых сис-
тем.

Законы и положения термодинамики являются не только
важнейшими законами природы, имеющими универсальное
значение, но и необходимым инструментом для понимания
экологических проблем и их решения. Из этих физических
законов нет исключений, и никакие технические изобрете-
ния не могут их нарушить. Напротив, несоблюдение этих за-
конов может только усугубить и без того сильный антропо-
генный пресс на природу. Куда бы мы ни обратились, мы ви-
дим законы термодинамики в действии. Наиболее ярким
примером является фотосинтез, где происходит запасание
части энергии солнечного света в виде потенциальной энер-
гии пищи. Это превращение энергии Солнца, иллюстрирую-
щее действие двух законов термодинамики, наглядно пред-
ставлено на рис. 1.

Солнечное излучение
(100 Дж энергии

Тепло (98 Дж энергии очень
низкого качества)

Рис. 1. Запасание части энергии уедающего на Землю

солнечного света в виде потенциальной энергии биомассы

Важнейшей термодинамической характеристикой экоси-
стем и биосферы в целом является способность создавать и
поддерживать высокую степень внутренней упорядоченно-
сти. Энергия является хорошей основой для функциональной
классификации экосистем, так как ее потоки управляют
процессами как в природных экосистемах, так и в экосисте-
мах антропогенного происхождения. В то же время для объ-
яснения способности экосистем сохранять высокую степень
внутренней упорядоченности нам потребуется и другое поня-
тие — энтропия.

Вслед за Ю. Одумом мы можем сказать, что «экология, по
сути дела, изучает связь между светом и экологическими
системами и способы превращения энергии внутри систе-
мы», а «сущность жизни состоит в непрерывной последова-
тельности таких изменений, как рост, самовоспроизведение
и синтез сложных химических соединений. Без переноса
энергии, сопровождающего все эти изменения, не было бы
ни жизни, ни экологических систем... а дыхание высокоупо-
рядоченной биомассы оказалось возможным рассматривать
как диссипативную структуру экосистемы».

У экологов все больше стала укрепляться уверенность в свя-
зи принципов термодинамики с экологией. И, наконец, особое
внимание экологов привлекают сегодня вопросы преобразова-
ния энергии органического топлива, атомной энергии и других
форм концентрированной энергии, так как именно это опреде-
ляет, в конечном итоге, антропогенное воздействие на всю био-
сферу. Можно сказать с уверенностью, что само сохранение
цивилизации зависит сейчас от разумного применения законов
термодинамики к природе с целью минимизац ии нашего на нее
воздействия и избежания необратимых изменений в окру-
жающей среде. Знание основ термодинамики, типов систем и
процессов, происходящих в природе, представление об энтро-
пии, порядке и хаосе совершенно необходимы для понимания
любых глобальных проблем экологии, и этим вопросам и по-
священа настоящая глава.

2.2.	ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ТЕПЛОТЕ

До середины прошлого столетия в естественных науках
абсолютно доминировала Ньютонова механика с ее детерми-
низмом и, как следствие, с представлениями о многих пред-
метах и явлениях окружающего нас мира, как о механизмах.
Будучи раз заданным, этот механизм функционирует далее
вполне определенным образом. Если некоторый процесс или
явление мы не можем описать в данный момент на подобный
лад, то это просто обусловлено недостаточностью наших зна-
ний сегодня, а завтра человек это сможет сделать. То, что
механизмы ломаются или останавливаются, обусловлено ря-
дом мелких неприятностей (типа, например, трения), от ко-
торых в большинстве случаев мы можем абстрагироваться.
При описании природных явлений или работы механиз-
мов использовалось понятие силы, хорошо разработанное в
механике и нашедшее затем употребление в астрономии,
электричестве и магнетизме. Конечно, понятия кинетической
или потенциальной энергии также были известны ученым, но
во главе угла стояло понятие «сила». Как мы отмечали, пред-
ставление о механизмах являлось настолько сильным и ус-
тойчивым, что даже В.И. Вернадский в «Биосфере» рассмат-
ривал биосферу как хорошо отлаженный механизм. Только в
середине тридцатых годов В.И. Вернадский осознает недос-
татки такого подхода и решительно от него отказывается.

Использование энергии и преобразование одних форм
энергии в другие является неотъемлемой чертой любого жиз-
ненного процесса. Вся биосфера в целом и любая конкретная
экосистема являются преобразователями одних форм энер-
гии в другие и прежде всего солнечной энергии в энергию
биомассы. Однако эти очевидные сегодня истины были в
стороне от магистральных интересов науки вплоть до начала
прошлого века.

На протяжении тысячелетий превращение запасенной
энергии в теплоту было самым обычным делом. Использова-
ние управляемого преобразования теплоты или запасенной
энергии в работу в заметных масштабах началось лишь с на-
ступлением промышленной революции. В течение многих
тысячелетий люди в основном использовали энергию древе-
сины (биомассы), запасенную в прошлом. Затем недостаточ-
ность этого источника привела людей к использованию угля,
нефти и газа, т. е. источников энергии, запасенных десятки
и сотни миллионов лет тому назад. Неустанный поиск новых
источников энергии привел нас сначала к эпохе нуклеосинте-
за, в результате которого возникло вещество солнечной сис-
темы, содержащее уран и торий, а затем и ко временам, ко-
гда в результате Большого взрыва возникли атомы водорода
и гелия. Наши старания создать термоядерную энергетику
представляют собой, по существу, попытку овладеть энерги-
ей, которой обладают эти атомы. Если мы овладеем реакцией
термоядерного синтеза, то это будет означать, что в поисках
источников энергии мы докопались до самого «начала».

Возникновение и развитие цивилизации происход ит бла-
годаря открытию и освоению удобных источников энергии,
сформировавшихся в прошлом. На этом пути человек в
большинстве случаев просто реализует древнее открытие:
возможность высвобождения запасенной энергии в форме
теплоты. В помощь старым котлам появляются новые. Рядом
с котлами, в которых горит топливо органического происхо-
ждения, трудятся сегодня ядерные реакторы (АЭС) с топли-
вом звездного происхождения, а на горизонте виднеются
термоядерные реакторы. Совершенствование «котлов» само
по себе не является революцией — это лишь качественно бо-
лее эффективное использование старых, как мир, процессов.

В начале прошлого столетия стала актуальной задача ов-
ладения процессом — управляемым преобразованием тепло-
ты или запасенной энергии в работу в очень широких мас-
штабах. Истинная революция в технике совершилась тогда,
когда человек сумел освоить преобразование теплоты в рабо-
ту. В течение долгого времени ученые задавали себе вопрос:
что же происходит, когда имеет место тепловое взаимодейст-
вие? Многие из них предполагали: что-то пересекает границу
системы, температура которой изменяется. Так как свойства
газа к этому времени были хорошо исследованы, то напра-
шивалась аналогия с поведением газа, перетекающего из со-
суда с высоким давлением в сосуд с меньшим давлением.
Перетекание продолжается до тех пор, пока давление в обоих
сосудах не станет одинаковым. Такая аналогия была принята
очень многими, и к концу XVIII в. она привела к тщательно
разработанной сложной и исчерпывающей системе понятий
и правил, известной как теплородная теория теплоты. Тепло-
та рассматривалась как некая жидкость, невесомый флюид,
названный теплородом.

Теория теплорода была принята многими известными ес-
тествоиспытателями, в том числе А.Л. Лавуазье, П. Лапла-
сом, П. Дюлонгом, А. Пти, Ж. Фурье, Б.П.Э. Клапейроном.

Было много и противников этой теории. Так, например,
Р. Декарт, Р. Бойль, Ф. Бэкон, Г. Гук и И. Ньютон были убеж-
дены, но не могли доказать, что теплота связана с движени-
ем частиц, образующих вещество. Их представления вытека-
ли из возможности получения теплоты за счет работы с по-
мощью трения, но они не могли дать простой интерпретации
явлений и сделать количественные предсказания, которые
давала теория теплорода.

Наибольшего успеха теория теплорода достигла тогда, ко-
гда ученым потребовалось установить различие между степе-
нью нагретости тела (которая в настоящее время характери-
зуется температурой) и количеством теплоты, которое требу-
ется для изменения нагретости этого тела. Английский уче-
ный Д. Блэк пришел к заключению, что при теплообмене су-
ществует сохраняющаяся величина, а именно количество те-
плоты. Коль скоро это так, то теплота— это нечто, перете-
кающее от одной системы к другой. Такая концепция стала
главенствующей в течение многих десятилетий.

Положения теплородной теории теплоты явились в начале
XIX в. базой для понимания того, что горение сопровождает-
ся выделением теплоты, нагревание приводит к увеличению
объема и, как следствие этого, может быть совершена рабо-
та. Таким образом, горение привело к созданию тепловой
машины — технологическому новшеству, ставшему основой
индустриального общества. Быстрое распространение паро-
вых машин вызвало огромный интерес к механическому дей-
ствию теплоты. Четкое понимание явлений, имеющих здесь
место, было совершенно необходимо для эффективного ис-
пользования в промышленности и на транспорте новых тогда
паровых двигателей. Термодинамика явилась детищем этого
интереса. Она быстро развивалась, и скоро в центре ее вни-
мания оказалось изучение скрытых в теплоте возможностей
производства механической энергии.

Рождение термодинамики иногда связывают с 1811 г.,
когда Ж. Фурье была присуждена премия Французской ака-
демии наук за открытие закона распространения теплоты в
твердых телах. Это простой закон: поток теплоты пропор-
ционален градиенту температуры. Он применим к веществу,
в каком бы состоянии оно ни находилось: твердом, жидком
или газообразном. Кроме того, закон Фурье выполняется не-
зависимо от химического состава тела. Согласно этому зако-
ну, специфическим для каждого вещества является коэффи-
циент пропорциональности между тепловым потоком и гра-
диентом температуры.

Чрезвычайно важным моментом является то, что универ-
сальный характер закона Фурье не связан непосредственно с
динамическими взаимодействиями, описываемыми законом
Ньютона. Теория теплопроводности Фурье была первым ко-
личественным описанием необратимого процесса — явления,
немыслимого в классической механике. Оказалось, что при
физико-химическом превращении энергия может сохранять-
ся даже в том случае, если преобразование необратимо. В
качестве типичного примера укажем на трение, в результате
которого движение превращается в теплоту. В классической
механике (динамике) запечатлен статический взгляд на при-
роду. Если мы знаем начальные условия, мы можем всегда
развернуть картину вперед или назад. Время— просто па-
раметр; основное понятие — это сила. Поэтому-то и форму-
лировку закона теплопроводности можно рассматривать как
исходную точку науки нового типа. С момента появления
теории теплопроводности Фурье математика, физика и нью-
тоновская наука перестали быть синонимами.

Учение о теплоте развивалось и привело, в конечном ито-
ге, С. Карно к его классическому анализу работы тепловой
машины. Результаты его анализа, казалось бы, способствова-
ли укреплению позиций сторонников теории теплорода. Од-
нако последовавшие затем опыты Дж. Джоуля показали не-
состоятельность представления о теплоте как сохраняющейся
субстанции. Таким образом, в середине XIX в. возник кризис
теории теплоты1.

2.3.	ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
И НУЛЕВОЕ НАЧАЛО

В двух предыдущих параграфах мы уже употребили не-
которые фундаментальные термодинамические термины,
как, например, макросистемы, термодинамические системы,
которые могут быть замкнутыми или открытыми, а процес-
сы, протекающие в них, могут характеризоваться обратимо-
стью и сохранением некоторых свойств. Остановимся теперь
на понятийном языке термодинамики. На протяжении почти
двух столетий этот язык, естественно, претерпевал изменен
ния. В связи с многообразием подходов и решаемых зада1^
для рассмотрения одних и тех же проблем или явлений ино^
гда используют разные термины. В прикладных областях,,
особенно в теплотехнике, появились свои термины, которые
просто незнакомы физикам или биологам. Все это осложняем
как изучение термодинамики, так и знакомство с некоторый
ми монографиями и оригинальными работами.	J

Как учебники, так и монографии по термодинамике в«
многих отношениях отличаются друг от друга. Одни авторы
во главу угла ставят классическую термодинамику (термостат
тику), другие— обратимость и необратимость процессов]
третьи — порядок и хаос и т. д. Одни учебники ориентирин
ваны на физиков, и они отличаются от учебников, ориентир
рованных на химиков. Учебники для геологов или инженеров

1 Теплота — это форма беспорядочного (теплового) движения образ
щих тело частиц (молекул, атомов, электронов, фотонов и т. д.). Колич<
венной мерой теплоты является количество теплоты (количество энерп
получаемой или отдаваемой системой при теплообмене.
имеют свои ярко выраженные отличия, а учебники, предна-
значенные для биологов, — свои.

После того как термодинамика справилась с задачей оп-
ределения количества топлива, необходимого для соверше-
ния тепловой машиной нужной работы, центр ее интересов
сместился в область анализа и расчетов различных систем и
прежде всего тех, в которых имеет место теплообмен, а тем-
пература является существенной переменной. Наконец, на-
чиная со второй половины XIX в., мы можем сказать, что
термодинамика стала наукой, изучающей в самом общем ви-
де превращения одних форм энергии в другие и те свойства
изучаемой макроскопической системы1 (вещества, объекта
или экосистемы), которые непосредственно связаны с пре-
вращениями одних форм энергии в другие.

Термодинамическая система— это совокупность макро-
скопических тел, которые могут взаимодействовать между
собой и с окружающей средой; обмениваться с ней потоками
энергии и вещества (рис. 2). Такая система состоит из столь
большого числа структурных частиц (атомов, молекул), что ее
состояние можно характеризовать макроскопическими па-
раметрами: плотностью, давлением, концентрацией веществ,
образующих систему, и т. д. Любая система занимает опреде-
ленный объем макроскопических размеров. Границы этого
объема образуют математические поверхности, которые от-
деляют систему от внешней среды. Такой системой в про-
стейшем случае может быть некоторое количество газа иАи
жидкости, жидкость и ее пар, банка с водой из пруда, со-
держащей частички глины, зеленый лист на дереве и т. д.

Рис. 2. Схематическое
представление любой систе-
мы. Xi и Xi,t— параметры,
характеризующие систему и
среду

1 Поведение отдельных молекул находится вне поля нашего зрения.
Практически достаточно нескольких сотен частиц, чтобы статистические
закономерности явились определяющими и систему можно было рассматри-
вать как макроскопическую. При описании таких систем можно использо-
вать понятие температуры как параметра состояния.
Границы системы очень часто изменяются во время изу-
чаемого процесса, более того, через них может происходить
обмен энергией или веществом, или информацией, или и тем
и другим с окружающей средой. Классификация систем про-
водится в соответствии с характером этого обмена.

ssssssssjzSsi

Граница системы

a iwwa's&ssssS:
t—L.--П- Газ ' $

Рис. 3. Схематическое представление
замкнутой термодинамической системы (а)
и открытой термодинамической системы
(б); границы системы изображены пунк-
тирной линией

В качестве простейшей системы можно взять газ, нахо-
дящийся внутри цилиндра с поршнем (рис. 3, а). Все, что на-
ходится вне этого объема, является окружающей средой. В
классической термодинамике такая система получила назва-
ние замкнутой (закрытой). Мы можем изменять границы сис-
темы, двигая поршень, но система продолжает оставаться
замкнутой. То, что система является замкнутой, никак не ис-
ключает обмена энергией с окружающей средой, например
путем охлаждения стенки цилиндра с помощью ох-
лаждающей жидкости. Замкнутые системы не могут обмени-
ваться веществом с окружающей средой. Те же замкнутые
системы, которые не могут обмениваться даже энергией с
окружающей средой, называют адиабатически изолирован-
ными1, или просто изолированными системами.

Добавим к нашей замкнутой системе два крана, через
которые система сможет обмениваться веществом с окру-
жающей средой (рис. 3, б). Такая система называется откры-
той1 2, и примером ее может служить экосистема или любая

1 В учебниках по термодинамике можно встретить и более сложное де-
ление систем, когда адиабатически изолированные системы делят на изоли-
рованные (не обменивающиеся с другими системами ни энергией, ни веще-
ством) и адиабатные системы (в которых отсутствует теплообмен с другими
системами).

2 В классической термодинамике открытые системы — это системы, ха-
рактеризующиеся обменом вещества и энергии с окружающей средой. К
ним относятся все химические системы, в которых непрерывно протекают
турбина. Открытую систему, изображенную на рис. 3, б,
можно превратить в замкнутую, если закрыть краны.

Свойства термодинамической системы характеризуют
термодинамические параметры1 (переменные), как напри-
мер: объем— У,*температура— Т, давление— р, масса сис-
темы — гп, коэффициент преломления и т. д. Говорят, что
система находится в равновесии, если ее параметры с тече-
нием времени не меняются и в ней нет каких-либо стацио-
нарных потоков. Именно для равновесных систем* 1 2 вводится
понятие температуры как параметра состояния, имеющего
одинаковое значение для всех макроскопических частей сис-
темы. Некоторые параметры являются независимыми. Их
число равно числу степеней свободы термодинамической
системы, остальные параметры могут быть выражены через
независимые с помощью уравнения состояния.

Термодинамика оказывается достаточно сложной в пер-
вую очередь потому, что она позволяет каждое явление опи-
сывать несколькими способами. Первоначальный выбор пе-
ременных может быть любым, но затем его нельзя произ-
вольным образом менять. Например, даже в самом простом
случае — одного моля идеального газа, мы можем исходить
из того, что независимыми переменными, задающими его
состояние, являются р и Т, а зависимой переменной является
объем — V. Ровно так же мы можем считать, что давление

химические реакции (извне поступают реагирующие вещества, а продукты
реакций отводятся) с непрерывными процессами, а также все живые орга-
низмы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы
их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики нерав-
новесных процессов. В настоящее время к открытым системам начинают
относить системы, обменивающиеся с окружающей средой и только энерги-
ей. Коль скоро в открытых системах непрерывно происходят поступление,
химическое превращение и удаление вещества, то вместо термодинамиче-
ского равновесия в них наступает стационарное состояние, которое харак-
теризуется не отсутствием, а постоянством скорости химических изменений
и переноса реагирующих веществ.

1 Параметры — это просто числа, получаемые посредством соответст-
вующих измерительных операций. Значения параметров отражают только
то состояние системы, которое существует в данный момент. Они ничего не
говорят ни о прошлом, ни о будущем системы. Значение термодинамическо-
го параметра заключается в том, что его величина не зависит от способа
получения. Математически это означает, что при любом способе интегриро-
вания по данному интервалу всегда получается лишь единственный, одно-
значный результат. Малые приращения термодинамических параметров
являются точным или полным дифференциалами.

2 Что такое равновесные системы, мы узнаем после того, как ознако-
мимся с понятием «энтропия».
зависит от температуры и объема. Графически состояние га-
за на диаграмме можно представить точкой, например, рас-
сматривая зависимость давления от объема при фиксиро-
ванной температуре: получающаяся кривая называется изо-
термой (рис. 4). Если система не изолирована, то ее состоя-
ние может изменяться; изменение состояния термодинами-
ческой системы называется термодинамическим процессом,
и именно он графически представляется кривой (например,
упомянутые выше изотермы на рис. 4).

Рис. 4. Графическое представ-
ление термодинамических процес-
сов, начинающихся при температу-
рах 71 > Ti > Тз\ изотермические
процессы — сплошные линии; адиа-
батические процессы — пунктирные
линии

Если в ряде случаев переменные делят на зависимые и
независимые, то в других— на экстенсивные и интенсив-
ные. Экстенсивные переменные имеют аддитивный харак-
тер, т. е. зависят от количества вещества в системе. Ими мо-
гут быть: V, тп, число молей — п... и т. д. Интенсивные пере-
менные, например Т и р, не зависят от количества вещества,
однако они могут иметь как одинаковое значение во всей
системе, так и изменяться от точки к точке.

Система может состоять из одной или нескольких фаз.
Фазой является область пространства, однородная на всем
своем протяжении. При этом предполагается отсутствие
внешних полей (гравитационных, электромагнитных). При
заданном элементном составе неоднородность может возни-
кать за счет различий в химическом строении. Так, напри-
мер, оксцды трехвалентного железа встречаются в природе в
виде пяти разных фаз (модификаций): а-, ₽-, у-, 5- и е-ЕегОз.
Кроме того, имеются еще пять гидрооксидов трехвалентного
железа: а-, ₽-, у-, 5- и e-FeOOH и рентгеноаморфный гель —
Fe(OH)3.
Для описания состояния термодинамических систем ис-
пользуются и более сложные понятия: функции состояния1,
характеристические функции и термодинамические потен-
циалы.

Последнее понятие и, вероятно, самое важное, которое
мы введем в этом параграфе, относится к характеру проте-
кания процессов в термодинамических системах. Процессы
делятся на обратимые1 2, т. е. не зависящие от направления
времени (порядка протекания процесса), и необратимые —
зависящие от направления времени.

Классическая термодинамика строится на основе четы-
рех основных принципов — начал, которые являются обоб-
щением многочисленных наблюдений за свойствами макро-
скопических систем. Нулевое начало термодинамики (сфор-
мулированное в начале XX столетия) по существу представ-
ляет собой полученное задним числом логическое оправдание
для введения понятия температуры физических тел и гово-
рит о тепловом равновесии между термодинамическими сис-
темами. Оно не выводится из более простых или более фун-
даментальных законов и лежит в основе многих рассужде-
ний. Оно гласит: если каждое из двух тел находится в тепло-
вом равновесии с третьим, то они будут в равновесии и друг
с другом.

Конечно, представление о температуре и подразумевае-
мая неявно возможность ее измерения были использованы

1 Формально, переменные, выражающиеся с помощью уравнения со-
стояния через независимые переменные, называются функциями состояния,
если их значения не зависят от способа, посредством которого система была
приведена в данное состояние.

2 Процессы перехода системы из одного состояния в другое, с которыми
можно сопоставить реально возможный обратный переход, последовательно
повторяющий в обратном порядке все промежуточные состояния рассмат-
риваемого процесса, называются обратимыми. Многие процессы, изучаемые
в механике, являются обратимыми, если силами трения можно пренебречь.
Процессы, протекающие в природе, обычно не удовлетворяют этому усло-
вию и являются необратимыми. Они могут самопроизвольно протекать толь-
ко в одном направлении. К ним относятся жизненные процессы, диффузия,
теплопроводность ...и др. Обратимые процессы описываются уравнениями,
сохраняющими свой вид при изменении знака времени, и являются одним
из основных понятий в термодинамике. Можно сказать, что это бесконечно
медленные процессы, состоящие из бесконечной последовательности пре-
дельно мало отличающихся друг от друга равновесных состояний. Такие
процессы называют также квазистатическими или квазиравновесными.
Классическая термодинамика изучает термодинамически равновесные (т. е.
обратимые) процессы, для неравновесных (необратимых) процессов она д ает
лишь неравенства, которые указывают их возможное направление..
зависит от температуры и объема. Графически состояние га-
за на диаграмме можно представить точкой, например, рас-
сматривая зависимость давления от объема при фиксиро-
ванной температуре: получающаяся кривая называется изо-
термой (рис. 4). Если система не изолирована, то ее состоя-
ние может изменяться; изменение состояния термодинами-
ческой системы называется термодинамическим процессом,
и именно он графически представляется кривой (например,
упомянутые выше изотермы на рис. 4).

Рис. 4. Графическое представ-
ление термодинамических процес-
сов, начинающихся при температу-
рах Г1 > Тг > Тз', изотермические
процессы — сплошные линии; адиа-
батические процессы — пунктирные
линии

Если в ряде случаев переменные делят на зависимые и
независимые, то в других— на экстенсивные и интенсив-
ные. Экстенсивные переменные имеют аддитивный харак-
тер, т. е. зависят от количества вещества в системе. Ими мо-
гут быть: V, тп, число молей — и... и т. д. Интенсивные пере-
менные, например Т и р, не зависят от количества вещества,
однако они могут иметь как одинаковое значение во всей
системе, так и изменяться от точки к точке.

Система может состоять из одной или нескольких фаз.
Фазой является область пространства, однородная на всем
своем протяжении. При этом предполагается отсутствие
внешних полей (гравитационных, электромагнитных). При
заданном элементном составе неоднородность может возни-
кать за счет различий в химическом строении. Так, напри-
мер, оксиды трехвалентного железа встречаются в природе в
виде пяти разных фаз (модификаций): а-, 0-, у-, б- и Е-Ре^Оз.
Кроме того, имеются еще пять гидрооксидов трехвалентного
железа: а-, 0-, у-, б- и Е-FeOOH и рентгеноаморфный гель —
Fe(OH)3.
Для описания состояния термодинамических систем ис-
пользуются и более сложные понятия: функции состояния1,
характеристические функции и термодинамические потен-
циалы.

Последнее понятие и, вероятно, самое важное, которое
мы введем в этом параграфе, относится к характеру проте-
кания процессов в термодинамических системах. Процессы
делятся на обратимые1 2, т. е. не зависящие от направления
времени (порядка протекания процесса), и необратимые —
зависящие от направления времени.

Классическая термодинамика строится на основе четы-
рех основных принципов — начал, которые являются обоб-
щением многочисленных наблюдений за свойствами макро-
скопических систем. Нулевое начало термодинамики (сфор-
мулированное в начале XX столетия) по существу представ-
ляет собой полученное задним числом логическое оправдание
для введения понятия температуры физических тел и гово-
рит о тепловом равновесии между термодинамическими сис-
темами. Оно не выводится из более простых или более фун-
даментальных законов и лежит в основе многих рассужде-
ний. Оно гласит: если каждое из двух тел находится в тепло-
вом равновесии с третьим, то они будут в равновесии и друг
с другом.

Конечно, представление о температуре и подразумевае-
мая неявно возможность ее измерения были использованы

1 Формально, переменные, выражающиеся с помощью уравнения со-
стояния через независимые переменные, называются функциями состояния,
если их значения не зависят от способа, посредством которого система была
приведена в данное состояние.

2 Процессы перехода системы из одного состояния в другое, с которыми
можно сопоставить реально возможный обратный переход, последовательно
повторяющий в обратном порядке все промежуточные состояния рассмат-
риваемого процесса, называются обратимыми. Многие процессы, изучаемые
в механике, являются обратимыми, если силами трения можно пренебречь.
Процессы, протекающие в природе, обычно не удовлетворяют этому усло-
вию и являются необратимыми. Они могут самопроизвольно протекать толь-
ко в одном направлении. К ним относятся жизненные процессы, диффузия,
теплопроводность ...и др. Обратимые процессы описываются уравнениями,
сохраняющими свой вид при изменении знака времени, и являются одним
из основных понятий в термодинамике. Можно сказать, что это бесконечно
медленные процессы, состоящие из бесконечной последовательности пре-
дельно мало отличающихся друг от друга равновесных состояний. Такие
процессы называют также квазистатическими или квазиравновесными.
Классическая термодинамика изучает термодинамически равновесные (т. е.
обратимые) процессы, для неравновесных (необратимых) процессов она дает
лишь неравенства, которые указывают их возможное направление.
намного раньше, в том числе в работе С. Карно, послужив-
шей основой вывода второго начала. Поэтому представление
о температуре и называется нулевым началом, несмотря на
то, что появилось позже других начал. Более того, в ряде
учебников оно не рассматривается как закон термодинами-
ки.

Практическая ценность нулевого начала состоит в сле-
дующем: оно позволяет строго определить процедуру для
введения температурной шкалы и измерения температуры1,
хотя последнее слово здесь все равно остается за вторым на-
чалом.

2.4.	ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало обычно кратко формулируется так: энер-
гия сохраняется. Тот факт, что в процессах, которые являют-
ся предметом рассмотрения термодинамики, сохраняется
именно энергия, а не теплота, стал основополагающим от-
крытием 50-х гг. XIX столетия. Первое начало утверждает
целесообразность введения понятия (еще одного после введе-
ния понятия температуры), называемого энергией. Оно необ-
ходимо, чтобы определить, возможно ли достижение систе-
мой того или иного состояния при заданном начальном со-
стоянии. Чтобы энергия приобрела требуемое значение, ха-
рактеризующее новое состояние, необходимо совершить
большую или меньшую работу и (или) сообщить системе
большее или меньшее количество теплоты.

Понимание того, как горение сопровождается выделени-
ем теплоты, нагревание приводит к увеличению объема, и,
как следствие этого, может быть совершена работа, требует-
ся нам отнюдь не для того, чтобы вспомнить историю про-
мышленной революции или ознакомиться с деталями строе-
ния тепловых двигателей. Это необходимо, чтобы понять
фундаментальные характеристики самых разнообразных

1 Как известно, широко распространенная у нас температурная шкала
Цельсия представляет собой искусственно сконструированную в 1742 г.
шведским астрономом А. Цельсием шкалу, где в качестве двух фиксирован-
ных температур были взяты температура кипения воды (100 °C) и таяния
льда при давлении в 1 атм (0 °C). Этот интервал разделен на 100 равных
частей с помощью ртутного термометра. Установление нулевого начала спо-
собствовало окончательному введению единой абсолютной, или термодина-
мической шкалы температур, в основу которой положена температура трой-
ной точки воды— Те- - 273,16 Кельвин - 273,16 К (названа так в честь У.
Томсона, лорда Кельвина) при давлении в 1 атм.
процессов, протекающих как на Земле, так и во Вселенной, и
в том числе понять основной механизм воздействия человека
на биосферу: потребление энергетических ресурсов — тепло-
вое загрязнение.

Как мы неоднократно отмечали, появлению термодина-
мики предшествовало развитие механики. Вспомним, что
было известно там об энергии, и предположим, что мы имеем
простейшую механическую систему: тело, характеризующее-
ся массой — т и скоростью — v, т. е. так называемыми
внешними координатами в механике. Пусть эта система на-
ходится на высоте — h в поле тяготения, характеризующемся
ускорением силы тяжести — д. Изменение состояния такого
тела означает изменение этих внешних координат. При дви-
жении такой системы сумма кинетической Еип = mi/2/2 и по-
тенциальной Epot = mgh энергии тела остается постоянной.

Ekin + Epat = COnSt.

Система, для которой имеет место закон сохранения ме-
ханической энергии, называется консервативной системой.
Изменение кинетической и потенциальной энергии тела за
счет изменения его внешних координат сопровождается со-
вершением работы. К середине прошлого века было уже яс-
но, что состояние тела можно изменить и другим путем, на-
пример за счет нагревания тела или изменения его объема
при постоянной температуре. В этом случае механическая
или потенциальная энергия тела не изменяются, т. е. внеш-
ние координаты остаются без изменения, а изменяются так
называемые внутренние координаты. Наиболее просто это
понять в том случае, когда рассматриваемую систему образу-
ет газ, находящийся, например, в замкнутой системе, пред-
ставленной на рис. 3. Подробнее это рассмотрено в Прило-
жении 4 данного учебника.

Анализу количественных соотношений между различны-
ми воздействиями на систему, приводящими к одному и то-
му же изменению ее состояния, были посвящены опыты
Джоуля. На основании многочисленных хорошо поставлен-
ных опытов в 1847 г. Джоуль пришел к выводу, что связи,
обнаруженные между выделением или поглощением теплоты,
электричеством и магнетизмом, протеканием химических ре-
акций, а также биологическими процессами, носят характер
«превращения».

Джоуль выполнил работу с такой точностью и тщательно-
стью, что его результаты были приняты почти безоговорочно.
К хорошо известному факту, что температура воды в сосуде
будет повышаться и когда ее перемешивают, и когда сосуд
ставят на горячую плиту, Джоуль добавил определение точ-
ного количественного соотношения. Своими опытами он до-
казал, что отношение величины работы, необходимой для
производства данного изменения в системе, к количеству те-
плоты, которое вызывает такое же изменение, всегда одина-
ково. Полученное им соотношение оказалось очень близким к
принятому сегодня: 1 кал = 4,1868 Дж.

Чтобы понять, почему же так велико значение эквива-
лентности теплоты и работы, вспомним, что когда механиче-
ская система взаимодействует со средой, изменение полной
энергии системы равно работе— А, совершенной системой
или над системой:

АЕ ~ AEkin + AEpot ~ А,	(3)

где ЛЕип — изменение кинетической энергии системы, а
AEpot — изменение ее потенциальной энергии.

Любая система обладает определенным количеством
энергии. Но работа не есть что-то, чем обладает система. Ра-
бота — это то, что происходит с системой при взаимодейст-
вии ее со средой. Как только прекращается взаимодейст-
вие — нет и работы, а энергия остается. Так как система не
содержит какой-то работы, нельзя, следовательно, предста-
вить величину совершенной работы как изменение «содер-
жания работы» в системе. Поэтому, в частности, никто не
использует символ ДА для обозначения выполненной работы.

Соотношение (3) означает, что изменение энергии чис-
ленно равно величине работы. Оно не утверждает, что работа
и энергия идентичны, хотя и имеют одинаковую размер-
ность1. Равенство размерностей иногда приводит к упрощен-
ному определению энергии как способности совершать рабо-
ту. Подобное определение, в частности, можно встретить у
Ю. Одума. К сожалению, это привлекательное определение в
общем случае чрезмерно упрощено.

Рассмотренная Джоулем система помимо параметров т,
v, д и h характеризовалась еще теплоемкостью — си темпе-
ратурой — Т. Джоуль количественно показал, что работа мо-
жет приводить к изменению температуры системы, не уве-
личивая ее механическую (кинетическую или потенциальную)

1 В системе СИ энергия, как и работа, измеряется в джоулях и элек-
тронвольтах.
энергию. Из этого следует, что существует внутренняя энер-
гия (L7), связанная с температурой, кинетическая энергия,
связанная со скоростью, и потенциальная энергия — с поло-
жением в поле тяжести. Наиболее просто записать внутрен-
нюю энергию для одного грамм-атома одноатомного идеаль-
ного газа

U = 3RT/2 = 3kT-NA /2 = Ё^-Na ,

где R— универсальная газовая постоянная, к = 1,38-10~23 Дж-К-1
— постоянная Больцмана, Na— число Авогадро, Е^олек—
средняя кинетическая энергия молекул идеального газа. Внут-
реннюю энергию можно было бы просто назвать температурой.
Однако температурная шкала была уже определена, и поэтому
сегодня, чтобы назвать энергию молекул (или других частиц)
температурой, используют постоянный множитель к, связы-
вающий энергию с температурой.1 В общем случае внутренняя
энергия равна сумме кинетических энергий хаотического дви-
жения молекул (атомов) относительно центра масс тел и потен-
циальной энергии взаимодействия молекул друг с другом.
Внутренняя энергия системы однозначно зависит от парамет-
ров, характеризующих состояние системы, и, следовательно,
является функцией состояния.

Из-за наличия трения реальные системы теряют кинети-
ческую энергию. С потерей кинетической и потенциальной
энергии всегда связано увеличение внутренней энергии, что
обычно отражается в повышении температуры. Следователь-
но, можно сделать вывод, что прекращение движения в ре-
альных системах всегда связано с преобразованием механи-
ческой энергии во внутреннюю. Происходит изменение тем-
пературы системы с массой m на АТ, а коэффициент пропор-
циональности с представляет собой теплоемкость. Поэтому
нужно обобщить уравнение сохранения энергии (3), исполь-
зуемое в классической механике, включив в него передачу
количества теплоты:

Q=cmdT,	(4)

ДЕ = AEkin + AEpot + АД = А + JQ , где Q — количество теплоты в
калориях и J— коэффициент пропорциональности Джоуля,
равный 4,1868. В дальнейшем, измеряя Q в джоулях, мы от-

1 Рассматривая ниже связь понятий энтропия и информация, мы уви-
дим, что этот множитель иногда удобно положить равным единице.
кажемся от этого коэффициента. В дифференциальной фор-
ме мы имеем:

dE = mgdh + md(i?/2) + mcdT = 8A

Теперь энергия системы Е включает в себя три компо-
ненты: потенциальную, кинетическую и внутреннюю энер-
гии. Превращение потенциальной энергии в кинетическую
обратимо, т. е. кинетическую энергию можно опять превра-
тить в потенциальную, что происходит, например, при под-
прыгивании шарика или качании маятника. Наоборот, про-
цесс превращения внутренней энергии в кинетическую или
потенциальную имеет некоторые принципиальные ограниче-
ния, которые мы рассмотрим в следующем параграфе.

Опыты Джоуля показали следующее: изменение внутренней
энергии, возникающее в результате совершения работы, точно
равно количеству кинетической или потенциальной энергии,
затраченной на совершение этой работы, поэтому закон сохра-
нения энергии можно обобщить на неконсервативные систе-
мы1, что делает его гораздо более общим и более полезным.

Эквивалентность теплоты и работы означает, что тепло-
вое взаимодействие может изменить внутреннюю энергию
системы, поскольку оно приводит к повышению или пони-
жению температуры (либо к изменению фазы или химиче-
ского состава). Уравнение, выражающее сохранение энергии
в процессах, в которых тело совершает работу или получает
теплоту, принимает вид dU = 8А + 8Q. Нарушить его невоз-
можно. Оно просто утверждает, что любое бесконечно малое
изменение полной энергии системы dE (в рассматриваемом
случае d(J) равно сумме работы 8А1 2, выполненной над систе-
мой, и количества теплоты 8Q, поглощенного системой.

В Приложении 4 мы определили знак величины А, ска-
зав, что работа положительна (А > 0), если система совершает
работу над средой. Что касается теплоты, то Q > 0, если теп-
лота поглощается системой (рис. 5). При таком выборе знаков
получаем более обычную форму записи первого начала:

dCJ=8Q-8A.	(5)

1 То есть системы, для которых закон сохранения механической энергии
не имеет места.

2 НА и 6Q не являются полными дифференциалами и, следовательно, па-
раметрами системы. Причина заключается в том, что А и Q являются функ-
циями процесса изменения состояния в отличие от U, которая является
функцией состояния.
Рис. 5. К вопросу определения
знаков у величин А и Q при перево-
де системы из состояния с внутрен-
ней энергией Ui в состояние с энер-
гией 1Ъ

Это и есть закон сохранения энергии в применении к
процессам, в которых происходит передача теплоты. Соглас-
но этому закону, внутренняя энергия является однозначной
функцией состояния физической системы, т. е. однозначной
функцией независимых переменных, определяющих это со-
стояние, например температуры Т и объема V (или давления
р). Это приводит к тому, что, хотя каждая из величин Q и А
зависит от характера процесса, переводящего систему из со-
стояния с внутренней энергией Ui в состояние с энергией Дг,
изменение dC/ определяется лишь значениями внутренней
энергии в начальном и конечном состояниях: dU = U2 - Ui.
Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в
первоначальное состояние (Дг = Д1), изменение внутренней
энергии равно нулю и Q = А.

Любое наблюдаемое уменьшение суммы потенциальной и
кинетической энергий изолированной системы можно объяс-
нить увеличением ее внутренней энергии, и, следовательно,
опыты Джоуля показали несостоятельность представления о
теплоте как сохраняющейся субстанции. В этом и состоял
кризис в теории теплоты. Оказалось, что теплорода в приро-
де нет! Мы не можем заключить теплоту в сосуд или перелить
из одного куска металла в другой. То же справедливо в от-
ношении работы: она также не является предметом, ее нель-
зя запасти или перелить.

2.5.	СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНЕРГИИ

Г.В. Лейбниц (1686) доказал, что для изолированной сис-
темы полная механическая энергия сохраняется, т. е. ее ко-
личество остается неизменным. Но это справедливо только в
тех случаях, когда все действующие в системе силы являются
консервативными. При наличии диссипативных сил (сил
трения) механическая энергия замкнутой системы уменьша-
ется. Последующие опыты показали, что работа диссипатив-
ных сил всегда сопровождается выделением теплоты. Оказа-
лось, что принцип сохранения энергии остается справедли-
вым и при наличии диссипативных сил, если только расши-
рить понятие энергии введением новой формы ее, а именно
внутренней энергии.

Введение понятия энергии позволило измерять различные
физические формы движения и взаимодействия единой мерой.
В соответствии с различными формами физических процессов
сейчас говорят о различных видах энергии: механической, теп- ,
ловой, химической, электромагнитной, гравитационной, ядер-
ной и т. д. Конечно, речь здесь вдет не только о термодинамике
и термодинамических процессах. Все без исключения формы
движения превращаются друг в друга в строго определенных
количественных отношениях: именно это обстоятельство и по*
зволило ввести понятие энергии, т. е. позволило измерять са-
мые различные физические формы движения и взаимодейст-
вия единой мерой.

Введенное еще во времена Ньютона понятие «сила» было
достаточно конкретным и осязаемым. Более того, Ньютон и
ученые того времени развили удобный математический ап-
парат для успешного применения этого понятия в науке.»'.
Можно ли так же наглядно представить себе понятие «энер- 
гия», как это было в случае понятия «сила». Оказывается, что
коль скоро это касается всего естествознания, то дело обсто-
ит совсем не просто. Проиллюстрируем это на примере вы-
сказываний на данную тему двух известных ученых нашего
столетия:

1.	«Существует факт или закон, управляющий всем, что
известно до сих пор, — закон сохранения энергии. Существу-
ет определенная величина— энергия, которая не меняется.,
ни при каких превращениях, происходящих в природе. Эта
утверждение весьма отвлеченно; это по существу математи- i
ческий принцип, утверждающий, что существует некоторая <
численная величина, которая не изменяется ни при каких
обстоятельствах (какие бы трюки не выкидывала природа)».1 '

2.	«Энергия и импульс— это свойства, присущие мате-'
рии, которые не могут быть непосредственно представлены и,
которым просто даны названия энергия и импульс».1 2

Энергия любой изолированной системы при всех процес-
сах, происходящих в системе, сохраняется; энергия при этом
только превращается из одной формы в другую (система рас-

1 Это пишет лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман в знаменитом
курсе лекций по общей физике (Фейнмановские лекции по физике. Т. 1. М.,
1965).

2 Это пишет также лауреат Нобелевской премии Д. Бом в учебнике'
«Квантовая теория» (М., 1961).
сматривается как изолированная, если взаимодействием ее с
окружающим миром можно пренебречь). Если система не
изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одно-
временном изменении энергии окружающих тел на такую же
величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия
тела с окружающими телами. При переходе системы из одно-
го состояния в другое изменение энергии не зависит от пути
перехода. Это свойство энергии принято выражать следую-
щим образом: энергия — однозначная функция состояния
системы (изменение энергии зависит только от начального и
конечного состояний, но не от пути или способа перехода).

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для
любых изолированных систем, являются также законы сохра-
нения количества движения, момента количества движения и
электрического заряда. Эти законы, говорящие о наличии чего-
то неизменного, стабильного в вечно изменяющемся мире, осо-
бенно полезны по следующей причине. При описании объектов
окружающей среды динамические законы, позволяющие полно
описывать физические системы, неизвестны или слишком
сложны. Поэтому-то и оказывается удобным использовать за-
коны сохранения, которые позволяют сделать тем не менее не-
которые заключения о характере поведения системы. При
практическом применении закона сохранения энергии к любой
области физических или химических явлений он выражается в
форме, специфической для данного круга явлений.

До создания А. Эйнштейном специальной теории относи-
тельности1 в науке существовали два независимых закона
сохранения: массы и энергии. После того, как было обнару-
жено, что масса тела зависит от его скорости, а при протека-
нии ядерных реакций сумма масс покоя частиц после реак-
ции может отличаться от суммы масс частиц до реакции,
стало понятным, что масса является лишь одной из характе-
ристик материи. Закон сохранения энергии естественным
образом объединил существовавшие до этого законы сохра-
нения массы и энергии.

1 Специальная (частная) теория относительности сняла различие между
пространством и временем, объединив их в единый четырехмерный мир —
«пространство-время». Согласно ей, скорость света является предельной ско-
ростью передачи любых сигналов и взаимодействий, а полная энергия тела
пропорциональна его массе. Коэффициентом пропорциональности является
квадрат скорости света. Законы природы имеют одинаковую форму во всех
инерционных системах отсчета.
рить понятие энергии введением новой формы ее, а именно
внутренней энергии.

Введение понятия энергии позволило измерять различные
физические формы движения и взаимодействия единой мерой.
В соответствии с различными формами физических процессов
сейчас говорят о различных видах энергии: механической, теп-
ловой, химической, электромагнитной, гравитационной, ядер-
ной и т. д. Конечно, речь здесь идет не только о термодинамике
и термодинамических процессах. Все без исключения формы
движения превращаются друг в друга в строго определенных
количественных отношениях: именно это обстоятельство и по-
зволило ввести понятие энергии, т. е. позволило измерять са-
мые различные физические формы движения и взаимодейст-
вия единой мерой.

Введенное еще во времена Ньютона понятие «сила» было
достаточно конкретным и осязаемым. Более того, Ньютон и
ученые того времени развили удобный математический ап-
парат для успешного применения этого понятия в науке.
Можно ли так же наглядно представить себе понятие «энер-
гия», как это было в случае понятия «сила». Оказывается, что
коль скоро это касается всего естествознания, то дело обсто-
ит совсем не просто. Проиллюстрируем это на примере вы-
сказываний на данную тему двух известных ученых нашего
столетия:

1.	«Существует факт или закон, управляющий всем, что
известно до сих пор, — закон сохранения энергии. Существу-
ет определенная величина— энергия, которая не меняется
ни при каких превращениях, происходящих в природе. Это
утверждение весьма отвлеченно; это по существу математи-
ческий принцип, утверждающий, что существует некоторая
численная величина, которая не изменяется ни при каких
обстоятельствах (какие бы трюки не выкидывала природа)».1

2.	«Энергия и импульс — это свойства, присущие мате-
рии, которые не могут быть непосредственно представлены и
которым просто даны названия энергия и импульс».1 2

Энергия любой изолированной системы при всех процес-
сах, происходящих в системе, сохраняется; энергия при этом
только превращается из одной формы в другую (система рас-

1 Это пишет лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман в знаменитом
курсе лекций по общей физике (Фейнмановские лекции по физике. Т. 1. М.,
1965).

2 Это пишет также лауреат Нобелевской премии Д. Бом в учебнике
«Квантовая теория» (М., 1961).
сматривается как изолированная, если взаимодействием ее с
окружающим миром можно пренебречь). Если система не
изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одно-
временном изменении энергии окружающих тел на такую же
величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия
тела с окружающими телами. При переходе системы из одно-
го состояния в другое изменение энергии не зависит от пути
перехода. Это свойство энергии принято выражать следую-
щим образом: энергия — однозначная функция состояния
системы (изменение энергии зависит только от начального и
конечного состояний, но не от пути или способа перехода).

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для
любых изолированных систем, являются также законы сохра-
нения количества движения, момента количества движения и
электрического заряда. Эти законы, говорящие о наличии чего-
то неизменного, стабильного в вечно изменяющемся мире, осо-
бенно полезны по следующей причине. При описании объектов
окружающей среды динамические законы, позволяющие полно
описывать физические системы, неизвестны или слишком
сложны. Поэтому-то и оказывается удобным использовать за-
коны сохранения, которые позволяют сделать тем не менее не-
которые заключения о характере поведения системы. При
практическом применении закона сохранения энергии к любой
области физических или химических явлений он выражается в
форме, специфической для данного круга явлений.

До создания А. Эйнштейном специальной теории относи-
тельности1 в науке существовали два независимых закона
сохранения: массы и энергии. После того, как было обнару-
жено, что масса тела зависит от его скорости, а при протека-
нии ядерных реакций сумма масс покоя частиц после реак-
ции может отличаться от суммы масс частиц до реакции,
стало понятным, что масса является лишь одной из характе-
ристик материи. Закон сохранения энергии естественным
образом объединил существовавшие до этого законы сохра-
нения массы и энергии.

1 Специальная (частная) теория относительности сняла различие между
пространством и временем, объединив их в единый четырехмерный мир —
«пространство-время». Согласно ей, скорость света является предельной ско-
ростью передачи любых сигналов и взаимодействий, а полная энергия тела
пропорциональна его массе. Коэффициентом пропорциональности является
квадрат скорости света Законы природы имеют одинаковую форму во всех
инерционных системах отсчета.
рить понятие энергии введением новой формы ее, а именно
внутренней энергии.

Введение понятия энергии позволило измерять различные
физические формы движения и взаимодействия единой мерой.
В соответствии с различными формами физических процессов
сейчас говорят о различных видах энергии: механической, теп-
ловой, химической, электромагнитной, гравитационной, ядер-
ной и т. д. Конечно, речь здесь идет не только о термодинамике
и термодинамических процессах. Все без исключения формы
движения превращаются друг в друга в строго определенных
количественных отношениях: именно это обстоятельство и по-
зволило ввести понятие энергии, т. е. позволило измерять са-
мые различные физические формы движения и взаимодейст-
вия единой мерой.

Введенное еще во времена Ньютона понятие «сила» было
достаточно конкретным и осязаемым. Более того, Ньютон и
ученые того времени развили удобный математический ап-
парат для успешного применения этого понятия в науке.
Можно ли так же наглядно представить себе понятие «энер-
гия», как это было в случае понятия «сила». Оказывается, что
коль скоро это касается всего естествознания, то дело обсто-
ит совсем не просто. Проиллюстрируем это на примере вы-
сказываний на данную тему двух известных ученых нашего
столетия:

1.	«Существует факт или закон, управляющий всем, что
известно до сих пор, — закон сохранения энергии. Существу-
ет определенная величина — энергия, которая не меняется
ни при каких превращениях, происходящих в природе. Это
утверждение весьма отвлеченно; это по существу математи-
ческий принцип, утверждающий, что существует некоторая
численная величина, которая не изменяется ни при каких
обстоятельствах (какие бы трюки не выкидывала природа)».1

2.	«Энергия и импульс — это свойства, присущие мате-
рии, которые не могут быть непосредственно представлены и
которым просто даны названия энергия и импульс».1 2

Энергия любой изолированной системы при всех процес-
сах, происходящих в системе, сохраняется; энергия при этом
только превращается из одной формы в дру1ую (система рас-

1 Это пишет лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман в знаменитом
курсе лекций по общей физике (Фейнмановские лекции по физике. Т. 1. М.,
1965).

2 Это пишет также лауреат Нобелевской премии Д. Бом в учебнике
«Квантовая теория» (М., 1961).
сматривается как изолированная, если взаимодействием ее с
окружающим миром можно пренебречь). Если система не
изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одно-
временном изменении энергии окружающих тел на такую же
величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия
тела с окружающими телами. При переходе системы из одно-
го состояния в другое изменение энергии не зависит от пути
перехода. Это свойство энергии принято выражать следую-
щим образом: энергия — однозначная функция состояния
системы (изменение энергии зависит только от начального и
конечного состояний, но не от пути или способа перехода).

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для
любых изолированных систем, являются также законы сохра-
нения количества движения, момента количества движения и
электрического заряда. Эти законы, говорящие о наличии чего-
то неизменного, стабильного в вечно изменяющемся мире, осо-
бенно полезны по следующей причине. При описании объектов
окружающей среды динамические законы, позволяющие полно
описывать физические системы, неизвестны или слишком
сложны. Поэтому-то и оказывается удобным использовать за-
коны сохранения, которые позволяют сделать тем не менее не-
которые заключения о характере поведения системы. При
практическом применении закона сохранения энергии к любой
области физических или химических явлений он выражается в
форме, специфической для данного круга явлений.

До создания А. Эйнштейном специальной теории относи-
тельности1 в науке существовали два независимых закона
сохранения: массы и энергии. После того, как было обнару-
жено, что масса тела зависит от его скорости, а при протека-
нии ядерных реакций сумма масс покоя частиц после реак-
ции может отличаться от суммы масс частиц до реакции,
стало понятным, что масса является лишь одной из характе-
ристик материи. Закон сохранения энергии естественным
образом объединил существовавшие до этого законы сохра-
нения массы и энергии.

1 Специальная (частная) теория относительности сняла различие между
пространством и временем, объединив их в единый четырехмерный мир —
«пространство-время». Согласно ей, скорость света является предельной ско-
ростью передачи любых сигналов и взаимодействий, а полная энергия тела
пропорциональна его массе. Коэффициентом пропорциональности является
квадрат скорости света. Законы природы имеют одинаковую форму во всех
инерционных системах отсчета.
Сегодня всем очевидно, что полную энергию следует оп-
ределять так, чтобы она не обращалась в нуль, когда тело не-
подвижно, а была бы в этом случае пропорциональна массе
покоя тела. Эволюция закона сохранения энергии показыва-
ет, что законы физики, будучи почерпнуты из опыта, нуж-
даются время от времени в экспериментальной проверке и
уточнении. Тот или иной закон сохранения может быть в той
или иной степени модифицирован по мере расширения на-
учных знаний и горизонтов. Это справедливо и в химии, но в
еще большей степени это относится к экологии.

Современная наука показала, что законы сохранения
тесно связаны со свойствами симметрии исследуемых физи-
ческих систем. Согласно теореме Нетера, наличие в системе
симметрии приводит к тому, что для этой системы существу-
ет сохраняющаяся физическая величина. Устанавливая экс-
периментально законы сохранения, мы можем делать заклю-
чения о фундаментальных свойствах мира. Перечисленные
выше законы сохранения энергии, импульса и углового мо-
мента связаны соответственно с однородностью времени и
пространства и изотропностью пространства.

Таким образом, первое начало термодинамики это не бо-
лее чем частный случай закона сохранения энергии для про-
цессов, в которых происходит передача теплоты.

2.6.	ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Нулевое начало убеждает нас в целесообразности введения
такого свойства системы, которое позволило бы определить, на-
ходится ли данная система в тепловом равновесии с любой дру-
гой системой, если эти системы приведены в контакт. Для ко-
личественных описаний требуется ввести понятие— темпера-
тура. Аналогичным образом первое начало утверждает целесо-
образность введения еще одного понятия, называемого энерги-
ей. Энергия сообщает нам, в какие состояния может перейти
система, если сообщить ей теплоту или совершить над ней ра-
боту. Энергия системы— это свойство, позволяющее решить
вопрос, может ли система достигнуть того или иного состояния
из заданного начального состояния.

Оказывается, что системы могут обладать еще одним
свойством, которое должно показать уже не просто возмож-
ность достижения системой нового состояния из заданного, а
будет сразу указывать на возможность спонтанного дости-
жения системой того или иного конечного состояния. Оно
должно служить своего рода меткой естественного, спонтан-
ного изменения, которое может происходить в самой систе-
ме, не требуя внешнего вмешательства. Такое свойство суще-
ствует и называется энтропией системы. С ее помощью мож-
но придать количественный смысл такому понятию, как
спонтанность (самопроизвольность).

Второе начало термодинамики указывает на последст-
вия, к которым, с точки зрения внешнего наблюдателя, при-
водит способность энергии к рассеянию. Его можно рассмат-
ривать как пояснение к явлениям более простым, чем те, ко-
торые описываются первым началом. Вспомним, что хотя
первое начало и устанавливает существование понятия энер-
гии, но смысл этого понятия фактически остается неясным.
Вероятно, что одно из самых фундаментальных в природе
понятий и должно характеризоваться некоторой неуловимо-
стью. Во втором начале термодинамики энергия уже рас-
сматривается как вполне определенный объект, и речь идет
лишь о ее диссипации (рассеянии).

Анализ этого рассеяния привел к тому, что второе начало,
устанавливающее необратимость макроскопических процес-
сов, протекающих с конечной скоростью, стало не просто од-
ним из законов термодинамики, а ее стержнем. Знакомство
со вторым началом термодинамики не может быть сведено к
его краткой формулировке, как это было в случае нулевого
начала. Дело в том, что в этом случае у неспециалистов в об-
ласти термодинамики (каковыми, в частности, и являются
экологи) выпадут из поля зрения многие важные его приме-
нения. Перечислим то, на чем мы должны будем теперь ак-
центировать свое внимание.

1.	Анализ процесса непрерывного производства работы
за счет теплоты на примере работы тепловой периодически
действующей (т. е. в конце каждого цикла возвращающейся
к исходному состоянию) машины, как основа понимания
превращения теплоты в различные виды энергии.

2.	Последовательное введение представления об обрати-
мости и необратимости процессов и разделение всех процес-
сов на обратимые и необратимые.

3.	Введение понятия коэффициента полезного действия
и его анализ.

4.	Различные формулировки второго начала термодина-
мики и показ того, что вечные двигатели первого и второго
рода невозможны.
5.	Введение понятия энтропии — основы современной
формулировки второго начала термодинамики как закона
возрастания энтропии при необратимых процессах.

6.	Представления о равновесных состояниях и неравно-
весных процессах. Принцип Ле Шателье.

7.	Энергетический и энтропийный кризисы.

8.	Качество энергии и эксергия.

Для экологии представляют интерес все эти пункты. Рас-
смотрение необходимо начать с анализа работы тепловой
машины. Основное различие между процессами взаимного
перехода теплоты и работы заключается в том, что работа
предполагает упорядоченное движение, тогда как теплота —
неупорядоченное. Естественные процессы всегда сопровож-
даются рассеянием, диссипацией энергии. Все мы знаем, что
горячие объекты охлаждаются до температуры окружающей
среды, а упорядоченное движение уступает место неупоря-
доченному, например, механическое движение вследствие
трения полностью переходит в тепловое. Можно сказать, что
все события происходят так, что запасы энергии в конечном
итоге переходят к хаосу.

Существует как бы своеобразный фундаментальный «на-
лог»: природа признает эквивалентность теплоты и работы,
но требует «контрибуции» всегда, когда теплота преобразует-
ся в работу. Если это так, то в природе существует фунда-
ментальная асимметрия, т. е. однонаправленность всех про-
исходящих в ней самопроизвольных процессов. Хотя полное
количество энергии должно сохраняться в любом процессе, ее
распределение между различными формами изменяется не-
обратимым образом. Анализ работы тепловой машины необ-
ходим для того, чтобы разобраться с этим феноменом.

В рамках термодинамики удается установить естествен-
ное направление, в котором происходит изменение распреде-
ления энергии, причем это направление совершенно не зави-
сит от ее общего количества. Понять то, как возникает упо-
рядоченное движение из неупорядоченного и что при этом
теряется, оказалось возможным на основе анализа термоди-
намических циклов, т. е. круговых процессов, осуществляе-
мых термодинамической системой. Впервые это удалось сде-
лать в 1824 г. С. Карно. Циклы представляют собой сочета-
ния различных термодинамических процессов: изотермиче-
ских, адиабатических, изобарических и изохорических.

Устройство, осуществляющее любой термодинамический
цикл — тепловая машина, существенно отличается от меха-
нических устройств, которые возвращают в виде работы по-
тенциальную энергию, полученную ими из внешнего мира.
Для последних причина и следствие имеют одинаковую при-
роду и, по крайней мере в идеальном случае, эквивалентны.
Функционирование же тепловых машин сопряжено с мате-
риальными изменениями состояний, включающими преобра-
зование механических свойств системы, расширение и уве-
личение объема. Это подлинный процесс преобразования, а
не только передачи движения.

Тепловая машина производит движение, а не является
пассивным устройством. Это ее свойство рождает совершен-
но специфическую проблему. Каждый раз после того, как
машина, получив какое-то количество теплоты, произвела
движение, ее необходимо возвратить в начальное состояние.
Процессом, компенсирующим происшедшие изменения, яв-
ляется охлаждение системы до начальных значений темпера-
туры и возвращение ее к исходным значениям давления и
объема. Двигатель должен осуществлять преобразование теп-
лоты в работу неопределенно долго, и поэтому устройство
должно периодически возвращаться в исходное состояние1.

Первый этап (такт) цикла Карно рабочий. Он связан с по-
глощением теплоты, расширением и, как следствие, произ-
водством работы. Если бы машина, совершившая за первый
цикл работу в результате изотермического квазистатического
(обратимого) расширения (рис. П2), должна была бы за вто-
рой цикл вернуться в исходное состояние и быть готовой к
новому циклу, то такая машина суммарно не производила бы
никакой работы (Приложение 4). Причем она не только бы не
совершила работы, но в каждом таком цикле работу при-
шлось бы совершать «потребителю».

Чтобы термодинамический цикл стал полезным, необхо-
димо понизить давление внутри цилиндра так, чтобы на ста-
дии сжатия требовалась меньшая работа по обратному вдви-
ганию поршня. Давление для этого можно понизить разными
способами. В цикле Карно это достигается с помощью вклю-
чения в цикл адиабатического процесса* 2 (рис. 4). С помощью

'Живой организм не является тепловой машиной, и нельзя, скажем, с
помощью анализа термодинамических циклов объяснять его функциониро-
вание или эффективность, однако для анализа фунционирования экосистем
ряд результатов теории тепловых машин находит непосредственное приме-
нение.

2 Процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает
ее, называется адиабатическим. Для протекания такого процесса система
адиабатического расширения мы можем перейти от изотерми-
ческого процесса, происходящего при температуре Ti, к изо-
термическому процессу, происходящему при температуре Та.

Идеальный цикл Карно представляет собой весьма хитро-
умное приспособление, позволяющее достигать парадоксаль- ,
ного результата: переноса теплоты между двумя источника-
ми, находящимися при различных температурах, без прямого j
контакта между ними. Принципиальную схему любой тепло-
вой машины можно понять с помощью рис. 6.

Рис. б. Принципиальная схема тепло-
вой машины. Теплота Q\ из системы I (на-
греватель, температура Ti) поступает в
машину М. Часть его превращается в ко-
нечном итоге в работу А, а оставшаяся
часть ©2 уходит в систему II (холодильник,
температура Та)

Цикл Карно не является рабочей моделью тепловой ма-
шины. Это абстракция. Пар не поступает непосредственно в
цилиндры. Чтобы понять цикл, необходимо, как и в случае
анализа работы, совершаемой газом, проследить за измене-
нием давления и рабочего объема внутри цилиндра, изобра- ;
женного на рис. 3, б или на рис. 7. Используются два режи-
ма: изотермический и адиабатический (температура газа из-'
меняется). В случае адиабатического процесса, при учете ог- 
раничения объема газа объемом цилиндра, давление газа
изменяется быстрее, чем в изотермическом случае (см. рис. '
4), как при сжатии, так и при расширении. При расширении 
газ еще и охлаждается.

1

должна быть окружена теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой, или про-
цесс должен протекать настолько быстро, чтобы за время его осуществления
не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так, на-
пример, при адиабатическом расширении газа, с совершением работы про- i
тив внешних сил и сил взаимного притяжения молекул, газ охлаждается.
pi\

Рис. 7. Схематическое представление прямо-
го цикла Карно. Qi — тепло, поступающее из на-
гревателя, находящегося при температуре Ti.
Qz— тепло, уходящее в холодильник, находя-
щийся при температуре Та. А — работа, совер-
шаемая за цикл

На каждой из двух изотермических стадий цикла Карно
система находится в контакте или с нагревателем при темпера-
туре Ti (рис. 7), или с холодильником при температуре 7з. Нахо-
дясь в контакте с горячим источником, система поглощает теп-
лоту Qi и расширяется (переходит из состояния 1 в состояние
2). Находясь в контакте с холодильником, система теряет теп-
лоту Qa и сжимается (переходит из состояния 3 в состояние 4).
Эти стадии связаны между собой двумя адиабатическими ста-
диями, на которых система изолирована от источников. Тепло-
та не поступает в систему и не покидает ее, но температура
системы или повышается в результате сжатия, или понижается
в результате расширения. Адиабатические процессы продол-
жаются до тех пор, пока система не перейдет от температуры
одного источника к температуре другого.

Существенное различие между адиабатическими и изотер-
мическими процессами состоит в том, что адиабатический
процесс оказывается вполне обратимым. Если адиабатически
сжать находящийся в цилиндре газ, а потом его отпустить, то
объем, давление и температура примут первоначальное значе-
ние. Напротив, при изотермическом сжатии теплота уходит че-
рез стенки цилиндра. Для «вытекания» теплоты из цилиндра
достаточно, чтобы температура в окружающем пространстве
была ниже, чем в цилиндре. При необратимых процессах воз-
никают какие-нибудь другие формы энергии, или энергия ухо-
дит в окружающую среду, и мы не можем ее использовать. При
обратимых процессах этих потерь нет, и они всегда дают мак-
симально возможную работу. Заметим, что для Карно, как и
для большинства ученых его времени, вопрос— обратим ли
процесс или нет — не существовал.

Карно рассматривал круговой процесс с идеальными свой-
ствами (обратимый). Для идеализированного цикла мы можем
считать, что оба резервуара, между которыми происходит об-
мен теплотой, являются огромными, а перепад температур ме-
жду ними бесконечно малый. При таких условиях оба изотер-
мических такта также обратимы, и, следовательно, в процессе
Карно производится максимально возможная работа.

Сам Карно проводил свои рассуждения на основании те-
плородной теории теплоты. Согласно его рассуждениям, «па-
дение теплородной субстанции», обусловленное разностью
температур, аналогично падению воды с более высокого
уровня на низкий. В обоих случаях работа определяется пе-
репадом между «источником» и «стоком» температур — для
теплорода и высот — для воды. Однако Карно нигде явным
образом не утверждал, что количество теплоты (т. е. теплоро-
да), отданное холодильнику, равно количеству теплоты, ото-
бранной от нагревателя. Поэтому наиболее важные выводы
Карно оказались правильными.

Цикл Карно — это лишь один из возможных способов по-
лучения работы с помощью теплоты. То, что в каждой тепло-
вой машине должен быть свой холодильник, которому на оп-
ределенной стадии цикла необходимо отдавать часть энергии
(рассеивать энергию), по существу и составило базу для по-
следующего введения второго начала термодинамики.

Из проведенных выше рассуждений следует, что мы имеем
закон, пока математически не выраженный, с помощью кото-
рого, зная величину количества теплоты Qi, изъятого от нагре-
вателя, находящегося при температуре Ti, мы всегда можем для
обратимого процесса сосчитать работу, совершаемую при на-
личии холодильника с температурой 7г. Результат совершенно
не зависит от свойств рабочего вещества. Повторим еще раз.
Оказывается, что работа, совершаемая обратимой тепловой
машиной, — это универсальная функция, не зависящая от
свойств вещества! Этот принцип — то реальное правило, кото-
рое можно вывести из классической термодинамики.

Конкретизируем теперь закон, определяющий работу,
как функцию Qi, Ti и Гг. Как известно, внутренняя энергия
при обратимом круговом процессе не изменяется. Более того,
в пределах каждой из изотерм на рис. 7: 1-2 (ab) и 3-4 (cd)
она остается постоянной и, следовательно, AQ = А. Таким об-
разом, во время каждого из двух изотермических тактов вся
тепловая энергия — Qi и Qz — переходит в работу А\ и Ai,
которую легко сосчитать (выражение ПЗ из Приложения 4).

Известно, что при адиабатических процессах, во время
которых температура идеального газа изменяется от Т\ до Т2
и обратно, отношения объемов рабочего газа— V2/V] и V4/V3
равны. Коль скоро это так, то между передаваемым (полу-
чаемым) количеством теплоты и температурой, при которой
это происходит, имеет место очень простое соотношение:

|Q1|/Ti= |Q2|/T2= |S|.	(6)

Если ввести для Q/ Т особое название, то можно сказать,
что в обратимых процессах поглощается столько же Q/T,
сколько и выделяется. Это очень удобное при всевозможных
расчетах отношение стали обозначать буквой S, и оно полу-
чило название «энтропия», а отношение бесконечно малого
изменения количества теплоты к температуре, при которой
это происходит, — bQ/T — стали называть приведенным ко-
личеством теплоты1.

При работе обратимых машин теплота Qi, полученная
при температуре Ti, и теплоты Qi, отданная при температуре
Ti нагревателю, вносят в энтропию равные по величине и
противоположные по знаку вклады. Следовательно, за обра-
тимый цикл работы тепловой машины изменение энтропии
всех участников цикла, включая и нагреватель, и холодиль-
ник, равно нулю1 2.

1 Выделяемая или поглощаемая теплота не характеризует состояние
системы, и нельзя говорить о количестве теплоты, содержащемся в теле. Од-
нако если поделить теплоту на температуру, мы получим функцию состоя-
ния — энтропию.

2 В обратимом цикле энтропия сходна с внутренней энергией Е, но ра-
дикально отличается от теплоты Q. Энтропия равна энергии, деленной на
температуру, — Дж-К*1.
Это правило, похожее на закон сохранения энергии,
применимо только к идеально обратимым процессам, кото-
рых в окружающей нас среде нет. Если камень, нагретый до
1000 К, попадет в озеро, где температура воды 300 К, и по-
теряет количество теплоты AQ Дж, то его энтропия умень-
шится на AQ/1000 (Дж-К1). Энтропия воды (озера) возрастет
на AQ/ЗОО (Дж-К'1). Суммарная энтропия биосферы возрас-
тет на

AS = AQ/300 - AQ/1000 = 2,33' 10-3 AQ (ДжК’1).

Как и внутренняя энергия (и давление), энтропия зависит
от температуры и объема и является функцией состояния1.

В 1850 г. на базе только что открытого закона сохране-
ния энергии Р. Клаузиус дал современное описание цикла
Карно. Затем он ввел само понятие второго начала термоди-
намики и впервые его сформулировал: невозможен процесс,
при котором теплота переходила бы самопроизвольно от хо-
лодных тел к телам нагретым. При этом самопроизвольный
переход не следует понимать в узком смысле: невозможен не
только непосредственный переход, его невозможно осущест-
вить и при помощи машин или приборов без того, чтобы в
природе не произошли еще какие-либо изменения (механиче-
ские, тепловые и т. д.). Иными словами, невозможно провес-
ти процесс, единственным следствием которого был бы пере-
ход теплоты от холодного тела к нагретому.

Р. Клаузиус не только ввел в обиход второе начало термо-i
динамики, но и через пятнадцать лет показал, что его можно;
сформулировать строго математически, если ввести уже
упомянутую нами функцию состояния — энтропию. Для тер-
модинамической системы, бесконечно медленно совершаю-
щей циклический процесс, в котором система последователь- '
но получает малые порции теплоты 6Q при соответствующих]
значениях абсолютной температуры Т, интеграл от приве-j
денного количества теплоты по всему циклу равен нулю:
<j8Q/T =0.

1 Энтропия в любом объекте может быть определена экспериментально
или вычислена теоретически. В листе дерева или в листе бумаги, в любом
организме или экосистеме содержится определенная энтропия, так же как И
внутренняя энергия. Проблема состоит в том, что если энтропию, содержа-
щуюся в листе бумаги, мы, приложив достаточно много усилий, сможем со-
считать, то для более сложных объектов сделать это можно только в рамках
тех или иных простых моделей.
Клаузиус получил это равенство, рассматривая произ-
вольный циклический процесс как сумму очень большого
числа элементарных циклов Карно. Математически оно необ-
ходимо и достаточно для того, чтобы выражение

dS=8Q/T	(7)

представляло собой полный дифференциал функции состоя-
ния S. Это дифференциальное определение энтропии. Раз-
ность энтропий системы в двух произвольных состояниях а и
b (заданных, например, на рис. 7) равна:

! т

и является интегральным определением энтропии1. Интегри-
рование можно проводить вдоль пути любого квазистатиче-
ского процесса, связывающего состояния а и Ь, при этом, со-
гласно равенству Клаузиуса, приращение энтропии AS = Sb -
Sa не зависит от пути интегрирования. При квазистатических
адиабатических процессах (8Q = О) энтропия остается посто-
янной, и такие процессы называются изоэнтропийными* I 2.
При квазистатическом изотермическом процессе испарения
жидкости AS равно отношению теплоты испарения к темпе-
ратуре испарения при условии равновесия жидкости с ее на-
сыщенным паром.

Интегральное определение охватывает все уже знакомые
нам представления и понятия, а именно:

1.	Если энергия поставляется системе посредством на-
гревания, то сообщенная теплота положительна и изменение
энтропии тоже положительно; последнее означает, что энтро-
пия возрастает.

1 Вспомним, что для теплоты Q такое интегрирование невозможно, так
2

как интеграл J8Q зависит от пути интегрирования. В этом смысле 8Q нена-

I

стоящий, неполный дифференциал. Но стоит поделить 8Q на Т, как непол-
ный дифференциал превращается в полный. Величина 1 / Т играет роль ин-
тегрирующего множителя.

2 Энтропия возрастает при повышении температуры, если это повыше-
ние не адиабатическое. На адиабате теплота не передается газу н не отни-
мается от него. Прн адиабатическом расширении газа возрастание энтропии
вследствие увеличения объема в точности компенсируется ее убыванием
вследствие происходящего охлаждения. Следовательно, адиабатический
процесс есть изоэнтропийный процесс.
2.	Если из системы происходит утечка энергии в окру-
жающую среду посредством теплообмена, величина сооб-
щенной теплоты отрицательна и энтропия убывает.

3.	Если же энергия сообщается системе путем соверше-
ния работы (а не теплообмена), то сообщенная теплота равна
нулю и энтропия не изменяется.

4.	Если нагревание происходит при высокой температу-
ре, то знаменатель правой части равенства велик, вследствие
чего при заданном значении количества теплсГгы в процессе
нагревания изменение энтропии мало.

5.	Если нагревание происходит при низкой температуре,
тогда значение температуры мало и при том же количестве
теплоты изменение энтропии велико.

В течение всего процесса передачи энергии посредством
теплообмена температура системы должна оставаться посто-
янной, иначе равенство (7), выражающее изменение энтро-
пии, потеряет смысл. Следовательно, сформулированное вы-
ше определение изменения энтропии можно с полной надеж-
ностью использовать только для термостата. Процесс переда-
чи энергии должен совершаться сверхтщательно: например,
все поршни тепловой машины должны иметь возможность
двигаться бесконечно медленно, и столь же медленно должно
происходить выравнивание температур.

Теория Клаузиуса так же, как и теория Карно, отвечает
некоторой идеализации. Применение их к реальным систе-
мам потребовало учета необратимости. Второе начало термо-
динамики в этом случае формулируется как закон возраста-
ния энтропии: «Естественные процессы сопровождаются
возрастанием энтропии Вселенной». Для необратимых (не-
равновесных) процессов интеграл от приведенной теплоты
&Q/T по замкнутому пути всегда отрицателен ^5Q/T < О,
т. е., в отличие от (7), теперь имеет место так называемое не-
равенство Клаузиуса, которое, в свою очередь, является след-
ствием теоремы Карно: КПД частично или полностью необра-
тимого циклического процесса всегда меньше, чем КПД об-
ратимого цикла. Отсюда следует, что

а

и энтропия адиабатически изолированной системы при не-
обратимых процессах может только возрастать.
Таким образом, энтропия определяет характер процес-
сов:

в случае обратимых процессов возможны только такие
процессы, при которых энтропия остается неизменной;

в случае необратимых процессов энтропия возрастает.

В общем случае энтропия неизолированной системы мо-
жет изменяться вследствие двух и только двух причин: или в
результате переноса энтропии из внешней среды через гра-
ницы системы, или в результате возникновения энтропии в
самой системе

dS = d,S + deS,	(8)

где d;S обеспечивается внутренними процессами, a deS —
средой. Если система состоит из нескольких частей, полная
энтропия равна сумме энтропий этих частей. При этом не
обязательно, чтобы возрастала энтропия каждой из частей,
участвующих в процессе. Изменение энтропии dtS, связанное
с внутренними процессами, всегда неотрицательно d,S > О и
исчезает, когда в системе протекают только обратимые про-
цессы: d,S = О. Для необратимых процессов d,S > О. В ряде
случаев полезной оказывается величина, называемая произ-
водством энтропии — Р. Иногда говорят о скорости возник-
новения (производства) энтропии, отнесенной к единице
объема — cv или к единице площади — os.

Р= d,S/dt = f avdV.	(9)

В случае изолированной системы имеет место классическая
формулировка второго начала: dS = d,S > О, и энтропия систе-
мы может только возрастать или оставаться постоянной. Для
такой системы отпадает вопрос о необратимых изменениях,
рассматриваемых как приближение к обратимым изменениям:
возрастающая энтропия соответствует самопроизвольной эво-
люции системы. Энтропия становится, таким образом, «показа-
телем эволюции», или, по выражению Эдингтона, «стрелой вре-
мени». Для изолированных систем будущее всегда расположено
в направлении возрастания энтропии. Возрастание энтропии
является естественным процессом внутри системы, и система
переходит в термодинамическое равновесие, соответствующее
состоянию с максимумом энтропии.

Для замкнутой системы, в которой происходит обмен
энергией с внешней средой, но не происходит никаких необ-
ратимых процессов, dS = deS = dQ/ Т.
При протекании необратимых процессов, таких, как хи-
мические реакции, производство энтропии уже не исчезает
и, согласно классическому неравенству Клаузиуса: d,S = dS -
dQ/Г > О.

Говорят, что в состоянии равновесия энтропия замкну-
той системы достигает максимума и никакие макроскопиче-
ские процессы в такой системе невозможны. Таким образом,
энтропия, сохраняясь подобно энергии в обратимых процес-
сах, возрастает в процессах необратимых. Это возрастание
продолжается до тех пор, пока энтропия не достигнет своего
максимального значения, отвечающего равновесному со-
стоянию системы.

Нужно постоянно иметь в виду то, что с изменениями эн-
тропии связаны все явления в биосфере, в живой природе.
Так, например, в течение не очень продолжительного време-
ни хорошо отлаженный метаболизм позволяет массе и запасу
энергии человеческого организма оставаться постоянными.
Это постоянство поддерживается дыханием и питанием. При
этом энергия не возрастает, а энтропия уменьшается или
поддерживается постоянной.

Для незамкнутой системы направление возможных процес-
сов, а также условия равновесия могут быть выведены из зако-
на возрастания энтропии, примененного к составной замкну-
той системе, получаемой путем присоединения всех тел, участ-
вующих в процессе. Необратимые процессы можно рассматри-
вать как последние остатки самопроизвольной внутренней ак-
тивности, проявляемой природой, когда человек с помощью
экспериментальных устройств пытается обуздать ее. В отличие
от динамических объектов термодинамические объекты управ-
ляемы не до конца. Иногда они выходят из повиновения, пре-
терпевая самопроизвольное изменение.

Так как в отсутствие внешних воздействий энтропия.
системы не может уменьшаться, то, следовательно, для тер-
модинамической системы все изменения не эквивалентны.
Необратимое увеличение энтропии dpS/dt описывает при-
ближение системы к состоянию, неодолимо притягивающему
ее, предпочитаемому ею перед другими состоянию, из кото-
рого система не выйдет по доброй воле. Природа отдает
предпочтение определенным состояниям, которые называ-
ются равновесными состояниями.

Еще раз проведем параллель с классической механикой и
укажем на то, что там все иначе. Там механическая система
изменяется (движется) вдоль заданной раз и навсегда траек-
тории, не забывая начальную точку (так как начальные усло-
вия определяют всю траекторию при любых значениях вре-
мени). В случае же изолированной термодинамической сис-
темы любые ее неравновесные начальные состояния эволю-
ционируют к равновесному состоянию одного и того же типа.
К моменту достижения равновесия система забывает свои
начальные условия. Так как природа едина, то, несмотря на
принципиальные различия этих подходов к описанию явле-
ний, в ней происходящих, между ними должна существовать
какая-то взаимосвязь.

2.7.	ФОРМУЛА БОЛЬЦМАНА

Л. Больцман первый осознал, что свести вместе оба опи-
сания можно с помощью теории вероятности. Необратимое
возрастание энтропии можно рассматривать как проявление
все увеличивающегося молекулярного хаоса в системе, по-
степенного забывания любой начальной ее асимметрии. Со-
гласно Л. Больцману, внутренняя способность сложных сис-
тем эволюционировать в сторону увеличения энтропии обу-
словлена переходом их из менее вероятного состояния в более
вероятное. Иными словами, эволюция замкнутой системы
осуществляется в направлении наиболее вероятного распре-
деления энергии по отдельным ее подсистемам.

Разделим произвольную систему на большое число мак-
роскопических частей и рассмотрим любую их них. Если
применить квантовую статистику для описания такой под-
системы, то одной из основных ее характеристик окажется
число квантовых состояний с энергиями, меньшими или рав-
ными некоторому значению Е. Это приводит к понятию
статистического веса макроскопического состояния подсис-
темы — РЦ логарифм которого и называется энтропией:

S^k-lnJy.	(10)

Для объектов, представляющих интерес в экологии, W
равно очень большому числу. Это ни в коем случае не обыч-
ная вероятность осуществления одного события из несколь-
ких возможных, которая всегда меньше единицы.

Как мы знаем, задать состояние системы можно или де-
тально задавая положения и движения всех молекул, обра-
зующих систему, или задавая термодинамическое состояние,
которое определяется только небольшим числом переменных,
например, р, V и Т в случае идеального газа. В статистиче-
ской физике W— число динамических состояний, осуществ-
ляющих данное термодинамическое состояние. W иногда на-
зывают термодинамической вероятностью, а в научно-
популярной литературе иногда и просто вероятностью.

Из того, что энтропия выражается через логарифм стати-
стического веса состояния, следует очень многое. Перепишем
формулу Больцмана в виде W= es/k.

Видно, что стоит изолированной системе отклониться от
равновесия, как проявляется удивительное свойство энтро-
пии — ее способность только возрастать, стремясь к своему
максимальному значению. Неупорядоченное состояние более
вероятно, чем упорядоченное, так как оно может быть реали-
зовано большим числом способов, чем упорядоченное. В на-
шей повседневной деятельности порядок создается искусст-
венно, беспорядок возникает самопроизвольно, так как ему
отвечает большая вероятность, большая энтропия. Поэтому-
то и говорят, что энтропия есть мера неупорядоченности
системы. Разумная деятельность человека направлена на
преодоление разупорядочения. Так, в сельском хозяйстве это
борьба с самопроизвольными процессами — с эрозией почв, с
засорением посевов и т. д.

Обоснование законов термодинамики, их связь с закона-
ми движения отдельных частиц, из которых построены тела,
дается статистической физикой, которая позволяет выяснить
и границы применимости термодинамики. Так, например, в
случае газа каждый атом или молекула изолированной сис-
темы участвует в очень сложном, но обратимом движении.
Сталкиваясь с другими атомами или молекулами, они меня-
ют свою скорость и энергию. При этом вся совокупность час-
тиц, образующих нашу систему, в отсутствие внешних воз-
действий переходит в наиболее вероятное состояние, харак-
теризующееся определенными распределениями частиц по
скоростям и энергиям (Больцмановским распределением).
Это и есть равновесное состояние. Только внешнее воздейст-
вие может вывести систему из него.

Закон возрастания энтропии имеет статистически-
вероятностный характер и выражает постоянную тенденцию
системы к переходу в более вероятное состояние. Макси-
мально вероятным является состояние равновесия. За доста-
точно большой промежуток времени любая замкнутая систе-
ма достигает этого состояния. На этом пути она обязательно
забудет начальные условия.
Коль скоро наиболее вероятное состояние достигнуто,
система может отклоняться от него лишь на небольшие рас-
стояния и на очень короткие промежутки времени. Несмотря
на свою общность, второе начало не имеет абсолютного ха-
рактера, и отклонения от него (флуктуации) являются вполне
закономерными. Однако в классической термодинамике по-
следнее обстоятельство не является определяющим. Так как
энтропия — величина аддитивная, т. е. пропорциональна
числу частиц в системе (которое огромно), то даже самое ни-
чтожное относительное изменение энтропии, приходящейся
на одну частицу, существенно меняет абсолютную величину
энтропии. Это приводит к тому, что для системы с большим
числом частиц следствия второго начала практически имеют
не вероятностный, а достоверный характер1.

Флуктуации1 2 находятся в центре внимания статистиче-
ской физики. В малых частях сложных систем возможен пе-
реход из более вероятного состояния в менее вероятное, и эн-
тропия будет уменьшаться. Средние значения частоты и ве-
личины этих флуктуаций являются таким же достоверным
следствием статистической термодинамики, как и само вто-
рое начало. В рамках статистической физики наличие флук-
туаций показывает, что закон возрастания энтропии выпол-
няется только в среднем для достаточно большого промежут-
ка времени.

1 Первое начало — абсолютно строгий закон, так как энергия сохраня-
ется как в макроскопических системах, так и в процессах взаимодействия
элементарных частиц. Что касается второго начала, то закон невозможности
вечного двигателя второго рода есть закон не детерминистический, а стати-
стический, вероятностный. Невозможность вечного двигателя второго рода
не исключена абсолютно, а определяется его исключительно низкой вероят-
ностью. Возьмем сосуд объемом 1 см3, в котором содержится 2,7-1019 моле-
кул газа (число Лошмидта), и найдем вероятность того, что все молекулы са-
мопроизвольно окажутся в одной половине этого сосуда. Вероятность для
одной молекулы находиться в правой половине сосуда равна 1 /2. Вероятно-
сти попадания каждой из молекул в данную половину сосуда перемножают-
ся как вероятности независимых событий. Получаем (1/2)2,710 , т. е. величи-
ну исчезающе малую. Для нарушения второго начала требуются именно та-
кого рода события — сжатие газа без производства над ним работы. Неверо-
ятно, чтобы чайник с водой, опущенный в ведро с водой, закипел, а вода в
ведре замерзла. Однако такое чудесное событие не исключено совсем, и в
ходе огромного числа опытов оно может произойти. Иными словами, очень,
очень редко энтропия может самопроизвольно убывать, а не возрастать.

2 Примерами флуктуационных процессов могут служить: броуновское
движение частиц, равновесное тепловое излучение нагретых тел, возникно-

вение зародышей новой фазы при фазовых превращениях н т. д.
Отсюда следует, что термодинамическое равновесие это
состояние динамического равновесия, когда весьма интен-
сивно идут процессы молекулярного (атомного) масштаба, но'
все макроскопические процессы прекращаются. Это отно-
сится ко всякому термодинамическому равновесию без ис-
ключения.

Энтропия в такой системе достигнет максимального зна-
чения, и после этого флуктуации в ней в макроскопическом
аспекте ничего не изменят. Такой подход позволяет хорошо
описать ситуацию с идеальным газом в термостате. При рас-
смотрении объектов окружающей среды ситуация оказыва-
ется значительно сложнее. Если мы адиабатически изолируем
живой организм или экосистему, то они рано или поздно
просто погибнут. Для того чтобы затем установилось наибо-
лее вероятное состояние (полный хаос), потребуется время,
которое может оказаться значительным. Еще сложнее будут
обстоять дела, если мы попытаемся в качестве такой системы
взять всю Вселенную. Здесь временной аспект становится
особенно важным.

2.8.	КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
И КАЧЕСТВО ЭНЕРГИИ

Введя самое знаменитое в термодинамике понятие— эн-
тропия, мы сделаем небольшой перерыв, чтобы продемонстри-
ровать полезность этого понятия для оценки важнейшего свой-
ства множества процессов и устройств, нас окружающих, — их
эффективности. Для этого нам нужно как бы объединить соот-
ношение (6) и закон сохранения энергии.

Мы знаем, что в случае тепловой машины работа А = AQ
= Qi - Q2, т. е. часть полученной от нагревателя теплоты идет
на совершение работы, другая часть безвозвратно теряется
на нагревание холодильника (окружающей среды). Коэффи-
циент полезного действия любой тепловой машины равен от-
ношению работы к затраченному на ее производство количе-
ству теплоты. Обозначим КПД через тр Используя те же аргу-
менты, что и при выводе (6), мы получаем

t] = A/Qi= 1-Т2/Г1.	(И)

Повышение температуры нагревателя всегда ведет к уве-
личению КПД, но это приводит к техническим трудностям,
так как материалы могут не выдержать слишком высоких
температур. Рассмотрим несколько примеров. Так, на атом-
ных электростанциях по соображениям безопасности рабо-
тают при невысокой температуре нагревателя ~ 650 К, что
сразу ограничивает теоретически возможное значение КПД,
различные потери понижают КПД до ~ 33%.

Автомобильный двигатель может работать при наивыс-
шей входной температуре (поддерживаемой очень короткое
время вплоть до ~ 3300 К), что позволяет достичь верхнего
предела т] > 60%. Однако на практике автомобильные двига-
тели проектируют таким образом, чтобы они были достаточ-
но легкими, приемистыми и транспортабельными, в резуль-
тате т] - 25%.

В будущем, наверное, будут применяться системы, рабо-
тающие при высоких температурах, а значит, и обладающие
большим КПД. В частности, предполагаются такие системы,
как магнитогидродинамические генераторы и газовые тур-
бины с плазменным нагревом и охлаждаемыми лопастями. В
подобных турбинах, если они найдут распространение, рабо-
чим телом будут сжатые газы, которые могут быть горячее,
чем охлаждаемые стенки. Благодаря большему КПД электро-
станции, основанные на этих принципах, будут приводить к
существенно меньшему тепловому загрязнению окружающей
среды на единицу произведенной электроэнергии, чем сего-
дняшние ТЭЦ. Тем не менее пройдет еще много времени,
прежде чем какая-либо новая система поколеблет сущест-
вующее в настоящее время преобладание пара на поприще
энергоснабжения.

Никакой цикл в тепловой машине не может иметь больший
КПД, чем описанный Карно цикл с идеальными свойствами.
Выигрыша не может дать и никакое рабочее тело. Это, по су-
ществу, эквивалентно следующим утверждениям:

1)	никакая тепловая машина не может иметь КОД, пре-
вышающий КПД цикла Карно;

2)	никакая машина не может производить работу без от-
дачи теплоты низкотемпературному резервуару.

Оба эти утверждения нельзя вывести из какого-либо более
общего принципа. Они отражают закономерность реального
мира, обнаруженную на опыте. По сути дела они являются ак-
сиомами, которые следует отнести к фундаментальным зако-
нам. Вместе с тем отметим, что общность принципа Карно и
все его следствия не были до конца оценены и полностью при-
знаны до тех пор, пока не было установлено первое начало.
Почти сразу после формулировки первого начала патентные
бюро перестали рассматривать изобретения, его нарушающие
(т. е. вечные двигатели первого рода, непрерывно совершаю-
щие работу без участия теплового взаимодействия). Таким об-
разом, первое начало первым нашло всеобщее признание.

Но довольно долго не столь очевидной казалась невоз-
можность осуществления вечного двигателя второго рода,
превращающего теплоту в работу без отдачи теплоты низко-
температурному резервуару. Если бы такой процесс оказался
реально осуществимым, то можно было бы, разделив один
тепловой резервуар на две части и переводя теплоту из одной
части в другую, получить два резервуара с различными тем-
пературами. Это позволило бы многократно осуществить с
этими резервуарами цикл Карно и получить механическую
работу при помощи периодически действующей машины за
счет внутренней энергии одного теплового резервуара. На-
пример, целиком превращать в работу теплоту из окружаю-
щей среды (океана, атмосферного воздуха...). Патентные бю-
ро всего мира еще достаточно долго рассматривали изобре-
тения, нарушающие второе начало (т. е. вечные двигатели
второго рода, превращающие теплоту в работу без отдачи
теплоты низкотемпературному резервуару). Иными словами,
второе начало медленно «входило в обиход». В конечном ито-
ге, термодинамика наглядно показала, что мы не можем не-
ограниченно использовать, казалось бы, бесконечный резер-
вуар энергии, который предоставляет нам природа.

Энергия, передаваемая холодильнику, отличается от
энергии, отбираемой от нагревателя, и именно понятие эн-
тропии позволяет нам качественно различать имеющиеся в
нашем распоряжении источники энергии. Принято говорить,
что энергия, запасенная при более высокой температуре, об-
ладает более высоким «качеством», и ее удобно использовать
для совершения работы, тогда как качество энергии, полу-
ченной в процессе рассеяния, значительно ниже.

Энтропия позволяет наглядно представить, почему это
так. Допустим, мы отбираем энергию в форме теплоты от на-
гревателя с температурой Ti и позволяем ей перейти непо-
средственно к холодильнику с температурой Тг. Энтропия
убывает при этом на величину, равную отношению AQ/ Тъ но
одновременно возрастает на величину kQ/Ti. Результирую-
щее изменение энтропии — величина положительная. В итоге
энергия Вселенной становится менее пригодной для совер-
шения работы, поскольку для преобразования в работу энер-
гии, запасенной при более низкой температуре, необходимы
еще более холодные холодильники.
Подобная энергия обладает более низким качеством, а
связанная с ней энтропия возрастает. Следовательно, энтро-
пия характеризует условия, при которых запасается энергия:
если энергия запасается при высокой температуре, ее энтро-
пия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С
другой стороны, если то же количество энергии запасается
при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой
энергией, велика, а ее качество — низко. Естественное на-
правление процессов изменения в природе характеризуется
понижением качества энергии. Сжигая ископаемое топли-
во — будь то уголь, нефть или уран, мы не уменьшаем общих
запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис во-
обще невозможен, поскольку общая энергия в окружающем
нас мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжи-
гая килограмм угля (или 235U в ядерном реакторе) или литр
нефти, мы увеличиваем энтропию. Иными словами, такие
действия приводят к понижению качества энергии Вселен-
ной. Перед человечеством встают серьезные вопросы, ка-
сающиеся регулирования глобального энергетического балан-
са и прежде всего рационального расходования высококаче-
ственных энергетических ресурсов и создания экологически
более чистых источников энергии.

Так как использование энергетических ресурсов посто-
янно ускоряется, энтропия биосферы неуклонно возрастает,
а качество остающейся в распоряжении людей энергии па-
дает. Мы находимся, скорее, не на стадии энергетического
кризиса, или дефицита энергии, а на пороге «энтропийного
кризиса перепроизводства». Человечество проматывает запа-
сы энергии высокого качества, имеющиеся в биосфере бла-
годаря фотосинтезу, продолжавшемуся несколько сот мил-
лионов лет, и благодаря нуклеосинтезу, предшествовавшему
процессу образования Солнечной системы. Следует стре-
миться не к сохранению энергии, ибо природа делает это ав-
томатически. Существо проблемы состоит в сохранении ка-
чества энергии — это наш долг перед будущим.

Так как энтропия — это мера беспорядка, хаоса, то вы-
сокое качество энергии должно отражать отсутствие хаоса.
Энергия высокого качества — это строго локализованная
(например, сосредоточенная в куске угля или ядре атома).
Высоким качеством обладает и энергия, запасенная в упоря-
доченном движении атомов (например, в потоке воды).

Одним из самых замечательных примеров в технике, де-
монстрирующих важность представлений о качестве энер-
гии, является тепловой насос, который можно получить, если
обратить цикл Карно, представленный на рис. 7. Значитель-
ное место в энергопотреблении занимают затраты на конди-
ционирование помещений, т. е. на поддержание в них ком-
фортных для человека условий. Посмотрим, какую полезную
информацию о затратах энергии на эти цели мы можем по-
лучить, зная, что такое КПД цикла Карно. Оценим вначале,
какую работу необходимо затратить, чтобы отобрать у объек-
та (жилого помещения или продуктов в холодильнике) опре-
деленное количество энергии в форме теплоты и затем под-
держивать этот объект в холодном состоянии? Второе начало
термодинамики позволяет получить точный количественный
ответ на этот вопрос. Обозначим температуру охлаждаемого
объекта через 7г = Тхол, температуру окружающей среды (го-
рячего резервуара для сброса теплоты) через 71 = ТГОр. Пусть
идеальная циклическая машина совершает за один цикл ра-
боту А для того, чтобы отобрать от охлаждаемого объекта ко-
личества теплоты Q2. Тогда количество теплоты, переданного
окружающей среде — Qi, будет равно: Qi = Q2 + А.

Из соотношений (би 11) следует:

А = 02 (71 - Т2 )/ 72 .

Кроме работы, необходимой для охлаждения объекта,
нужно знать и мощность, требующуюся для поддержания его
в этом состоянии. Дело в том, что охлажденный объект не
может быть полностью изолирован от окружающей среды. К
нему непрерывно подводится теплота Q2 с интенсивностью,
пропорциональной разности температур между объектом и
окружающей средой. Коэффициент же пропорциональности
С зависит от качества теплоизоляции и размеров объекта.
Таким образом, Q2 = С (71 - 7г ) и минимальную затрачивае-
мую машиной мощность W (минимальную внешнюю работу
за цикл) можно представить в виде:

W = С (Т1- Т2У/Т2.	(12)

Видно, что для поддержания температуры охлаждаемого
объекта, близкой к абсолютному нулю, необходима бесконечно
большая мощность машины. Предположим, что летом темпера-
тура окружающей среды 30°С, а мы поддерживаем с помощью
кондиционера в комнате температуру 25°С (298 К). Из (12) сле-
дует, что затрачиваемая мощность 1% = 25-С /298.

Однако, если пройдет теплый фронт и внешняя темпера-
тура станет 35°С, то для поддержания той же температуры
потребуется мощность W = 100-С/298 = 4 Щ). Энергопотреб-
ление кондиционеров возрастет в четыре раза! То же самое
произойдет со всеми холодильниками, морозильниками и ох-
ладителями питьевой воды.

Предположим теперь, что температура воды в холодиль-
нике 0°С, а в комнате 20°С и нам нужно получить 3 г льда
(теплота плавления - 333 Джт1), для чего нужно отобрать
1000 Дж теплоты. Работа, которую необходимо для этого
затратить, составляет (Ti - Тг )/Т2 = 20/273-0,073, т. е. -7,3%
от отбираемой энергии. Таким образом, совершив 73 Дж ра-
боты, мы сбросим в окружающую среду 1073 Дж тепла, и от-
ношение количества теплоты на выходе к затраченной рабо-
те составляет 1073/73 = 14,7, т. е. КПД равен 1470%!

На рис. 8 схематически представлен тепловой насос. Ис-
пользуя окружающую среду, т. е. реку, пруд или атмосферу, в
качестве источника теплоты, мы при выбранных нами выше
значениях температуры помещения 20°С и окружающей
среды — 0°С на каждые 73 Дж подводимой нами к мотору
холодильника электрической энергии можем постоянно полу-
чать - 1070 Дж теплоты с поверхности змеевика нашего хо-
лодильника, который превратился теперь в тепловой насос.

Рис, 8. Тепловой насос.
Небольшой поток энергии
высокого качества (электро-
энергии) — W — обеспечива-
ет приток большого количе-
ства энергии низкого качест-
ва (теплого воздуха) в дом

Если отвлечься от первоначальных расходов по установ-
ке, то тепловой насос представляется весьма привлекатель-
ным средством для обогрева жилищ. По существу он являет-
ся усилителем энергии, так как на его выходе можно полу-
чить почти в 15 раз больше энергии, чем ее подается на вход.
Мы как бы меняем пару новых сапог на 15 поношенных, но
вполне пригодных!

Как с экологической, так и с экономической точки зрения
нецелесообразно использовать энергию, запасенную в углево-
дородном топливе, исключительно с целью получения теплоты.
Гораздо выгоднее расходовать минимальное количество этой
высококонцентрированной и высококачественной энергии для
сбора и концентрации низкокачественной энергии, окружаю-
щей нас со всех сторон, и именно за счет последней обогревать
наше жилище. Это было бы экономное, истинно хозяйское от-
ношение к использованию энергии.

В силу ряда причин тепловые насосы еще не нашли ши-
рокого применения. Отметим три из них. Во-первых, реаль-
ные КПД таких устройств гораздо ниже идеальных значений.
Во-вторых, тепловой насос вместе с необходимыми для него
теплообменниками, компрессорами и трубами стоит доста-
точно дорого. Эксплуатация всей системы сопряжена со зна-
чительно большими затратами, чем эксплуатация резистор-
ного нагревателя или простого обогревательного устройства,
основанного на сжигание нефти и газа. В-третьих, стоимость
углеводородного сырья пока значительно ниже стоимости
электроэнергии.

Два обстоятельства будут способствовать внедрению по-
добных устройств: ограничение использования углеводород-
ного топлива для производства электроэнергии (резкое воз-
растание, например, доли АЭС и использование энергии тер-
моядерного синтеза) и серьезная борьба с тепловым загряз-
нением окружающей среды. По мере роста народонаселения
и увеличения потребления энергии неизбежно будет достиг-
нут момент, когда окружающая среда уже не сможет погло-
щать всевозрастающее количество избыточной теплоты, ос-
таваясь пригодной для жизни.

2.9.	РАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ
И ОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Рассмотрим теперь детально понятие равновесия и раз-
личные формулировки условий теплового равновесия, по-
скольку именно они лежат в основе применения термодина-
мики. Это необходимо нам и для того, чтобы последовательно
ввести термодинамические потенциалы. Одним из условий
термодинамического равновесия является механическое
равновесие, при котором невозможны никакие макроскопи-
ческие движения частей системы, но поступательное движе-
ние и вращение системы как целого допустимы. В отсутствие
внешних полей и вращения системы условием ее механиче-
ского равновесия является постоянство давления во всем
объеме системы. Другим необходимым условием термодина-
мического равновесия является постоянство температуры и
химическое равновесие системы (постоянство химического
потенциала).

Достаточные условия равновесия (условия устойчивости)
могут быть получены из второго начала термодинамики; к ним,
например, относятся возрастание давления при уменьшении
объема (при постоянной температуре) и положительное значе-
ние теплоемкости при постоянном давлении. Чтобы анализиро-
вать равновесные и неравновесные состояния, будем использо-
вать представления о внутренних и внешних параметрах,
имеющих смысл средних значений (за большой промежуток
времени) функций, характеризующих динамическое состояние
системы и ее отношение к окружающим телам. Внутренние па-
раметры определяют внутреннее состояние системы. Внешни-
ми параметрами характеризуются внешние тела и силовые по-
ля, воздействующие на систему. Так, например, если газ заклю-
чен в сосуд, то объем сосуда, определяемый положением внеш-
них стенок сосуда, является внешним параметром. Давление,
оказываемое газом на стенки сосуда, зависит от скоростей теп-
лового движения его молекул. Оно является внутренним пара-
метром.

Допустим теперь, что тот же газ заключен в цилиндре под
поршнем, который может свободно перемещаться при закры-
том вентиле под воздействием лежащего на нем груза (рис.
ПЗ, б). Давление в таком случае будет внешним параметром,
так как оно определяется весом внешнего тела — груза. Объем
газа V определяется положением подвижной стенки сосуда —
поршня. Однако теперь объем V становится внутренним пара-
метром, так как положение поршня с грузом зависит от внут-
реннего давления, оказываемого газом на поршень.

В состоянии термодинамического равновесия каждый
внутренний параметр является однозначной функцией
внешних параметров и температуры системы. Это утвержде-
ние является результатом обобщения опытных фактов и од-
ним из важнейших постулатов аксиоматической термодина-
мики. Примером может служить уравнение состояния иде-
ального газа. Уравнение, выражающее функциональную
связь между внутренними и внешними параметрами систе-
мы в состоянии термодинамического равновесия, называет-
ся обобщенным уравнением состояния системы.

Время, в течение которого изолированная система пере-
ходит в состояние равновесия, зависит от ее природы и от
характера исходного неравновесного состояния. Если систе-
ма находится в состоянии равновесия, то в равновесии на-'
ходится и отдельные ее макроскопические части. При неиз-
менных внешних условиях такое состояние не меняется со
временем. Однако неизменность во времени не является дос-
таточным признаком равновесности состояния.

Как только мы нарушаем изолированность системы, мЫ
сталкиваемся с тем обстоятельством, что ее состояние изме-
нится под влиянием внешнего воздействия. Рассмотрим
замкнутую систему. Между такой системой и окружающей
средой происходит обмен энергией. Если поток энергии по-
стоянен во времени, то установится стационарное состояние,
т. е. состояние, при котором некоторые существенные для
характеристики системы величины не меняются со време-
нем. Так, например, фотоэлектрическую солнечную батарею,
работающую при постоянном потоке солнечного излучения,
мы можем рассматривать как систему, находящуюся в ста-
ционарном состоянии. Состояние системы называется ква-
зистационарным, если величины, при постоянстве которым
состояние было бы стационарным, медленно меняются со
временем. При этом соотношения между разными свойства-
ми системы остаются приблизительно такими же, как и в
стационарном состоянии.

Наконец, в случае открытых систем происходит обмен с
окружающей средой не только энергией, но и веществом.
Примером являются химические системы, в которых непре-
рывно протекают химические реакции (извне поступают реа-
гирующие вещества, а продукты реакций отводятся). В от-
крытых системах возможны стационарные состояния с по-
стоянной энтропией. Энтропия в таком случае хотя и удер-
живается постоянной (производство энтропии компенсиру-
ется ее отводом), тем не менее это стационарное значение
энтропии не соответствует ее максимуму (в отличие от изо-
лированной системы). При таком «проточном равновесии»
производство энтропии в открытой системе минимально
(теорема Пригожина).

В методическом плане в термодинамике чрезвычайно по-
лезным является представление о квазиравновесных состоя-
ниях, т. е. состояниях, бесконечно мало отличающихся от
равновесных. Именно между такими состояниями и проте-
кают обратимые процессы — бесконечно медленные процес-
сы, состоящие из бесконечной последовательности предельно
мало отличающихся друг от друга равновесных состояний.
Они являются одним из важнейших понятий в термодина-
мике, базирующейся на первом и втором началах. Квазиста-
тические процессы являются несравненно более простыми,
чем реальные неравновесные процессы, которые они имити-
руют. Для мгновенного описания состояния системы, совер-
шающей квазистатический процесс, требуется столько же
параметров, сколько и для описания равновесного состояния.
Для описания системы, совершающей неквазистатический
процесс, например турбулентное движение жидкости, требу-
ется бесконечное множество параметров.

Еще раз подчеркнем, что так как строго равновесный
процесс никогда не реализуется в природе, то в большинстве
рассуждений квазиравновесный процесс часто называют
просто равновесным, опуская приставку «квази». Как и рав-
новесные процессы, квазистатические процессы в строгом
смысле этого слова являются абстракциями, но к ним можно
подойти сколь угодно близко. Очень многие реальные процес-
сы, идущие с конечными скоростями, часто могут считаться
приблизительно квазистатическими. Таковы, например, про-
цессы расширения газов в цилиндрах тепловых двигателей
или компрессоров.

Обратимость квазистатического процесса непосредственно
следует из того, что каждое промежуточное состояние системы
целиком определяется промежуточными значениями внешних
параметров и температуры и, являясь состоянием термодина-
мического равновесия, нечувствительно к тому, идет ли про-
цесс в «прямом» или «обратном» направлениях. Таким образом,
условием обратимости данного термодинамического процесса
является квазистатичность изменения указанных параметров
системы. С физической точки зрения о таком процессе можно
говорить в том случае, если практически заметное изменение
внешних параметров и температуры происходит за время, зна-
чительно превышающее время релаксации системы по отно-
шению к этим изменениям.

Релаксацией называется самопроизвольный процесс пе-
рехода системы в состояние термодинамического равнове-
сия, а время, затрачиваемое на такой переход, — временем
релаксации. Время релаксации относится к числу нечетко
определенных понятий, так как можно измерить только вре-
мя, через которое система переходит в какое-то неравновес-
ное состояние, которое с требуемой точностью может быть
принято за равновесное. Абсолютная величина отклонения
любого параметра от его равновесного значения убывает, как
характера исходного неравновесного состояния. Если систе-
ма находится в состоянии равновесия, то в равновесии на-
ходятся и отдельные ее макроскопические части. При неиз-
менных внешних условиях такое состояние не меняется со
временем. Однако неизменность во времени не является дос-
таточным признаком равновесности состояния.

Как только мы нарушаем изолированность системы, мы
сталкиваемся с тем обстоятельством, что ее состояние изме-
нится под влиянием внешнего воздействия. Рассмотрим
замкнутую систему. Между такой системой и окружающей
средой происходит обмен энергией. Если поток энергии по-
стоянен во времени, то установится стационарное состояние,
т. е. состояние, при котором некоторые существенные для
характеристики системы величины не меняются со време-
нем. Так, например, фотоэлектрическую солнечную батарею,
работающую при постоянном потоке солнечного излучения,
мы можем рассматривать как систему, находящуюся в ста-
ционарном состоянии. Состояние системы называется ква-
зистационарным, если величины, при постоянстве которых
состояние было бы стационарным, медленно меняются со
временем. При этом соотношения между разными свойства-
ми системы остаются приблизительно такими же, как и в
стационарном состоянии.

Наконец, в случае открытых систем происходит обмен с
окружающей средой не только энергией, но и веществом.
Примером являются химические системы, в которых непре-
рывно протекают химические реакции (извне поступают реа-
гирующие вещества, а продукты реакций отводятся). В от-
крытых системах возможны стационарные состояния с по-
стоянной энтропией. Энтропия в таком случае хотя и удер-
живается постоянной (производство энтропии компенсиру-
ется ее отводом), тем не менее это стационарное значение
энтропии не соответствует ее максимуму (в отличие от изо-
лированной системы). При таком «проточном равновесии»
производство энтропии в открытой системе минимально
(теорема Пригожина).

В методическом плане в термодинамике чрезвычайно по-
лезным является представление о квазиравновесных состоя-
ниях, т. е. состояниях, бесконечно мало отличающихся от
равновесных. Именно между такими состояниями и проте-
кают обратимые процессы— бесконечно медленные процес-
сы, состоящие из бесконечной последовательности предельно
мало отличающихся друг от друга равновесных состояний.
Они являются одним из важнейших понятий в термодина-
мике, базирующейся на первом и втором началах. Квазиста-
тические процессы являются несравненно более простыми,
чем реальные неравновесные процессы, которые они имити-
руют. Для мгновенного описания состояния системы, совер-
шающей квазистатический процесс, требуется столько же
параметров, сколько и для описания равновесного состояния.
Для описания системы, совершающей неквазистатический
процесс, например турбулентное движение жидкости, требу-
ется бесконечное множество параметров.

Еще раз подчеркнем, что так как строго равновесный
процесс никогда не реализуется в природе, то в большинстве
рассуждений квазиравновесный процесс часто называют
просто равновесным, опуская приставку «квази». Как и рав-
новесные процессы, квазистатические процессы в строгом
смысле этого слова являются абстракциями, но к ним можно
подойти сколь угодно близко. Очень многие реальные процес-
сы, идущие с конечными скоростями, часто могут считаться
приблизительно квазистатическими. Таковы, например, про-
цессы расширения газов в цилиндрах тепловых двигателей
или компрессоров.

Обратимость квазистатического процесса непосредственно
следует из того, что каждое промежуточное состояние системы
целиком определяется промежуточными значениями внешних
параметров и температуры и, являясь состоянием термодина-
мического равновесия, нечувствительно к тому, идет ли про-
цесс в «прямом» или «обратном» направлениях. Таким образом,
условием обратимости данного термодинамического процесса
является квазистатичность изменения указанных параметров
системы. С физической точки зрения о таком процессе можно
говорить в том случае, если практически заметное изменение
внешних параметров и температуры происходит за время, зна-
чительно превышающее время релаксации системы по отно-
шению к этим изменениям.

Релаксацией называется самопроизвольный процесс пе-
рехода системы в состояние термодинамического равнове-
сия, а время, затрачиваемое на такой переход, — временем
релаксации. Время релаксации относится к числу нечетко
определенных понятий, так как можно измерить только вре-
мя, через которое система переходит в какое-то неравновес-
ное состояние, которое с требуемой точностью может быть
принято за равновесное. Абсолютная величина отклоненйя
любого параметра от его равновесного значения убывает, как
правило, по экспоненциальному закону. Говорят, что время
релаксации численно равно времени, в течение которого от-
клонение значения параметра от его равновесного значения
уменьшается в е раз1. Величина времени релаксации1 2 суще-
ственно зависит как от самой системы, так и от характера
рассматриваемого процесса.

Мы уже рассматривали термические уравнения состоя-
ния, примером которых являются зависимости типа

/(V,p,t) = O,	(13)

справедливые для любых тел, а для идеального газа такое
уравнение состояния называется уравнением Клапейрона
(Приложение 4). Такие уравнения принадлежат к числу важ-
нейших характеристик физически однородных, макроскопи-
ческих тел, так как позволяют получить некоторые характе-
ристики системы, находящейся в равновесном состоянии.

Для практического описания изучаемой системы с помо-
щью термодинамики помимо термического уравнения состоя-
ния необходимо знание и калорического уравнения состояния»
Уравнение (4) можно рассматривать как простейшую запись
калорического уравнения состояния. Иногда его записывают в
виде U= U(V, 7). Как и в случае уравнения (13), его невозможно
получить методами формальной термодинамики.

Как мы знаем, изменение полной энергии механической
системы равно работе, совершенной системой или над сис-
темой, ДЕ = А (см. уравнение 3). Термодинамика не сводит
процессы, происходящие в физической системе, к движению
составляющих ее частей. Здесь нет такого простого соотно-
шения между совершенной работой и изменением энергии,
потому что может происходить обмен энергией между систе-
мой и окружающей средой в виде теплоты. Вместо (3) для
вычисления работы нужно воспользоваться первым законом
термодинамики (5). Так как система, как правило, находится
в тепловом контакте с окружающей средой и имеет место те-
плообмен между системой и окружающей средой, то работа
может быть как больше <П7, так и меньше, в зависимости от
того, поглощает система теплоту или отдает ее окружающей
среде.

1 е » 2,78 — основание натурального логарифма.

2 Иногда этот временной интервал называют постоянной времени, ха-
рактеризующей переходной (релаксационный) процесс.
В случае механических систем устойчивое равновесие ус-
танавливается тогда, когда потенциальная энергия принима-
ет минимальное значение. Состояние термодинамического
равновесия системы также можно характеризовать с помо-
щью специальных, характеристических термодинамических
функций, которые получили название термодинамических
потенциалов. Как и потенциальная энергия в механике, они
имеют размерность энергии и представляют собой экстен-
сивные величины. Сама термодинамика может дать только
общие сведения относительно аналитической формы термо-
динамических потенциалов, но не может определить их кон-
кретный вид для каждой частной системы. Эти зависимости
можно установить эмпирически или с помощью статистиче-
ской механики.

2.10.	ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Если термодинамический потенциал, соответствующий
данному процессу, задан как функция естественных независи-
мых переменных, то термодинамические свойства системы оп-
ределены полностью. Если же он задан как функция другого
набора независимых переменных, то для определения всех
термодинамических свойств этого недостаточно. Все термоди-
намические величины, характеризующие данную систему, мо-
гут быть получены как частные производные термодинамиче-
ских потенциалов, а так называемые термодинамические урав-
нения представляют собой связи между этими величинами.

Термодинамические потенциалы могут изменяться, когда
система находится в контакте со средой и обменивается с ней
различными видами энергии: механической, тепловой, химиче-
ской, причем этот обмен предполагается не нарушающим рав-
новесности системы, т. е. процессы считаются бесконечно мед-
ленными (квазиравновесными). Коль скоро процесс обмена ме-
ханической и тепловой энергиями со средой характеризуется
одной механической переменной — V или р — и одной тепловой
переменной — S или Т, то могут быть образованы четыре пары
независимых переменных. В физике удобно брать объем и тем-
пературу (энтропию), а в химии — давление и температуру, так
как давление проще измерять и контролировать в химических
реакциях.

Каждой такой паре переменных отвечает свой термодина-
мический потенциал. Ими могут быть внутренняя энергия U,
свободная энергия Гельмгольца (или просто свободная энергия)
правило, по экспоненциальному закону. Говорят, что время
релаксации численно равно времени, в течение которого от-
клонение значения параметра от его равновесного значения
уменьшается в е раз1. Величина времени релаксации1 2 суще-
ственно зависит как от самой системы, так и от характера
рассматриваемого процесса.

Мы уже рассматривали термические уравнения состоя-
ния, примером которых являются зависимости типа

flV,p,t) = O,	(13)

справедливые для любых тел, а для идеального газа такое
уравнение состояния называется уравнением Клапейрона
(Приложение 4). Такие уравнения принадлежат к числу важ-
нейших характеристик физически однородных, макроскопи-
ческих тел, так как позволяют получить некоторые характе-
ристики системы, находящейся в равновесном состоянии.

Для практического описания изучаемой системы с помо-
щью термодинамики помимо термического уравнения состоя-
ния необходимо знание и калорического уравнения состояния;
Уравнение (4) можно рассматривать как простейшую запись
калорического уравнения состояния. Иногда его записывают в
виде U= U (V, 7). Как и в случае уравнения (13), его невозможно
получить методами формальной термодинамики.

Как мы знаем, изменение полной энергии механической
системы равно работе, совершенной системой или над сис-
темой, ДЕ = А (см. уравнение 3). Термодинамика не сводит
процессы, происходящие в физической системе, к движению
составляющих ее частей. Здесь нет такого простого соотно-
шения между совершенной работой и изменением энергии,
потому что может происходить обмен энергией между систе-
мой и окружающей средой в виде теплоты. Вместо (3) для
вычисления работы нужно воспользоваться первым законом
термодинамики (5). Так как система, как правило, находится
в тепловом контакте с окружающей средой и имеет место те-
плообмен между системой и окружающей средой, то работа
может быть как больше dU, так и меньше, в зависимости от
того, поглощает система теплоту или отдает ее окружающей
среде.

1 е = 2,78 — основание натурального логарифма.

2 Иногда этот временной интервал называют постоянной времени, ха-
рактеризующей переходной (релаксационный) процесс.
В случае механических систем устойчивое равновесие ус-
танавливается тогда, когда потенциальная энергия принима-
ет минимальное значение. Состояние термодинамического
равновесия системы также можно характеризовать с помо-
щью специальных, характеристических термодинамических
функций, которые получили название термодинамических
потенциалов. Как и потенциальная энергия в механике, они
имеют размерность энергии и представляют собой экстен-
сивные величины. Сама термодинамика может дать только
общие сведения относительно аналитической формы термо-
динамических потенциалов, но не может определить их кон-
кретный вид для каждой частной системы. Эти зависимости
можно установить эмпирически или с помощью статистиче-
ской механики.

2.10. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Если термодинамический потенциал, соответствующий
данному процессу, задан как функция естественных независи-
мых переменных, то термодинамические свойства системы оп-
ределены полностью. Если же он задан как функция другого
набора независимых переменных, то для определения всех
термодинамических свойств этого недостаточно. Все термоди-
намические величины, характеризующие данную систему, мо-
гут быть получены как частные производные термодинамиче-
ских потенциалов, а так называемые термодинамические урав-
нения представляют собой связи между этими величинами.

Термодинамические потенциалы могут изменяться, когда
система находится в контакте со средой и обменивается с ней
различными видами энергии: механической, тепловой, химиче-
ской, причем этот обмен предполагается не нарушающим рав-
новесности системы, т. е. процессы считаются бесконечно мед-
ленными (квазиравновесными). Коль скоро процесс обмена ме-
ханической и тепловой энергиями со средой характеризуется
одной механической переменной — V или р — и одной тепловой
переменной — S или Т, то могут быть образованы четыре пары
независимых переменных. В физике удобно брать объем и тем-
пературу (энтропию), а в химии — давление и температуру, так
как давление проще измерять и контролировать в химических
реакциях.

Канадой такой паре переменных отвечает свой термодина-
мический потенциал. Ими могут быть внутренняя энергия U,
свободная энергия Гельмгольца (или просто свободная энергия)
правило, по экспоненциальному закону. Говорят, что время
релаксации численно равно времени, в течение которого от-
клонение значения параметра от его равновесного значения
уменьшается в е раз1. Величина времени релаксации1 2 суще-
ственно зависит как от самой системы, так и от характера
рассматриваемого процесса.

Мы уже рассматривали термические уравнения состоя-
ния, примером которых являются зависимости типа

/(V,p,t) = O,	(13)

справедливые для любых тел, а для идеального газа такое
уравнение состояния называется уравнением Клапейрона
(Приложение 4). Такие уравнения принадлежат к числу важ-
нейших характеристик физически однородных, макроскопи-
ческих тел, так как позволяют получить некоторые характе-
ристики системы, находящейся в равновесном состоянии.

Для практического описания изучаемой системы с помо-
щью термодинамики помимо термического уравнения состоя-
ния необходимо знание и калорического уравнения состояния.
Уравнение (4) можно рассматривать как простейшую запись
калорического уравнения состояния. Иногда его записывают в
виде U= U(V, 7). Как и в случае уравнения (13), его невозможно
получить методами формальной термодинамики.

Как мы знаем, изменение полной энергии механической
системы равно работе, совершенной системой или над сис-
темой, ДЕ = А (см. уравнение 3). Термодинамика не сводит
процессы, происходящие в физической системе, к движению
составляющих ее частей. Здесь нет такого простого соотно-
шения между совершенной работой и изменением энергии,
потому что может происходить обмен энергией между систе-
мой и окружающей средой в виде теплоты. Вместо (3) для
вычисления работы нужно воспользоваться первым законом
термодинамики (5). Так как система, как правило, находится
в тепловом контакте с окружающей средой и имеет место те-
плообмен между системой и окружающей средой, то работа
может быть как больше dU, так и меньше, в зависимости от
того, поглощает система теплоту или отдает ее окружающей
среде.

1 е » 2,78 — основание натурального логарифма.

2 Иногда этот временной интервал называют постоянной времени, ха-
рактеризующей переходной (релаксационный) процесс.
В случае механических систем устойчивое равновесие ус-
танавливается тогда, когда потенциальная энергия принима-
ет минимальное значение. Состояние термодинамического
равновесия системы также можно характеризовать с помо-
щью специальных, характеристических термодинамических
функций, которые получили название термодинамических
потенциалов. Как и потенциальная энергия в механике, они
имеют размерность энергии и представляют собой экстен-
сивные величины. Сама термодинамика может дать только
общие сведения относительно аналитической формы термо-
динамических потенциалов, но не может определить их кон-
кретный вид для каждой частной системы. Эти зависимости
можно установить эмпирически или с помощью статистиче-
ской механики.

2.10. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Если термодинамический потенциал, соответствующий
данному процессу, задан как функция естественных независи-
мых переменных, то термодинамические свойства системы оп-
ределены полностью. Если же он задан как функция другого
набора независимых переменных, то для определения всех
термодинамических свойств этого недостаточно. Все термоди-
намические величины, характеризующие данную систему, мо-
гут быть получены как частные производные термодинамиче-
ских потенциалов, а так называемые термодинамические урав-
нения представляют собой связи между этими величинами.

Термодинамические потенциалы могут изменяться, когда
система наход ится в контакте со средой и обменивается с ней
различными видами энергии: механической, тепловой, химиче-
ской, причем этот обмен предполагается не нарушающим рав-
новесности системы, т. е. процессы считаются бесконечно мед-
ленными (квазиравновесными). Коль скоро процесс обмена ме-
ханической и тепловой энергиями со средой характеризуется
одной механической переменной — V или р — и одной тепловой
переменной — S или Т, то могут быть образованы четыре пары
независимых переменных. В физике удобно брать объем и тем-
пературу (энтропию), а в химии — давление и температуру, так
как давление проще измерять и контролировать в химических
реакциях.

Каждой такой паре переменных отвечает свой термодина-
мический потенциал. Ими могут быть внутренняя энергия U,
свободная энергия Гельмгольца (или просто свободная энергия)
F, тепловая функция (энтальпия) Н, свободная энергия Гиббса
(или просто термодинамический потенциал) Ф.

Рассмотрим несколько наиболее важных примеров термо-
динамических процессов. Квазистатический процесс, для кото-
рого уравнение (5) принимает вид: dU = 7US— pdV, может про-
ходить при постоянном давлении или постоянном объеме. Если
процесс идет при постоянном объеме, то dU = dQ и количество
переданной или полученной системой теплоты равно измене-
нию термодинамического потенциала U. Если процесс протека-
ет при постоянном давлении, то удобно ввести новую функцию
состояния — энтальпию: Н- U+ р V.

В этом случае можно исключить внутреннюю энергию и
мы получаем dH = TUS+Vdp. Так как процесс квазистатиче-
ский (TdS = dQ) и давление постоянно, то dQ = dH. Иногда
говорят, что энтальпия есть такой термодинамический по-
тенциал, приращение которого в квазистатическом процессе
при постоянном давлении дает полученное системой количе-
ство теплоты Q. Энтальпию называют также иногда тепловой
функцией или теплосодержанием. Таким образом, если при
квазистатическом процессе теплота подводится при посто-
янном объеме, то возрастает внутренняя энергия, а если при
постоянном давлении, то — энтальпия.

В экологии и природопользовании важно сосчитать рабо-
ту, совершаемую при различных процессах. Самым простым
случаем оказывается квазистатический адиабатический
процесс, и выражение (5) принимает вид:

dU=-SA.	(14)

При изотермическом процессе это равенство уже не име-
ет места, так как необходим дополнительный обмен энергией
между системой и средой для поддержания постоянной тем-
пературы в системе.

Для вычисления работы, совершаемой при квазистатиче-
ском изотермическом процессе, запишем внутреннюю энер-
гию в виде: U= F+ G, где F— свободная энергия1, a G = TS—

1 Несложно понять, как возник термин «свободная энергия» системы.
Внутренняя энергия является и полной энергией системы. Но если система
находится в тепловом контакте со средой, температура которой поддержи-
вается постоянной, то только часть этой энергии, а именно (U- TS), может
быть использована для получения работы. В этом смысле она и является сво-
бодной. Оставшаяся часть при сохранении неизменной температуры среды,
с которой установлен тепловой контакт, в работу превращена быть не мо-
жет. Ее можно назвать связанной энергией.
связанная энергия. Свободную энергию обычно записывают
как: F = U- TS. Работа, совершаемая при изотермическом
переходе из состояния 1 в состояние 2 (см. рис. 7), определя-
ется не разностью значений внутренней энергии в этих со-
стояниях (которая равна нулю), а разностью значений функ-
ции F. Если процесс квазистатический, то

A<Fi-F2.	(15)

Подведем итоги: если система испытывает обратимое
превращение от начального состояния 1 к конечному состоя-
нию 2, причем оба эти состояния имеют температуру, рав-
ную температуре окружающей среды, и если система во вре-
мя превращения обменивается теплотой только с окружаю-
щей средой, то работа, проделанная системой во время пре-
вращения, равна уменьшению свободной энергии системы.
Если превращение необратимо, то уменьшение свободной
энергии системы — верхний предел работы, совершенной
системой.

Сравнивая (15) с уравнением (3), которое справедливо
только для чисто механических систем, мы видим, что сво-
бодная энергия в термодинамических системах, которые мо-
гут обмениваться теплотой с окружающей средой, играет
роль, аналогичную энергии механических систем. Разница
заключается в том, что в случае механической работы всегда
стоит знак равенства, тогда как в (15) равенство осуществля-
ется только при обратимых превращениях. Говорят, что сво-
бодная энергия является характеристической функцией для
переменных Т и V. Это означает, что зависимые перемен-
ные — давление и энтропия системы — могут быть получены
дифференцированием свободной энергии:

р = - (dF/dVjr, S = - (dF/dTjp.

Кроме расчетов работы термодинамические потенциалы
необходимы и для нахождения условий равновесия. Рассмот-
рим квазистатический изотермический процесс и в качестве
независимых переменных возьмем Т и V. Пусть система ди-
намически (не термически) изолирована от окружающей сре-
ды в том смысле, что никакой обмен в форме работы между
системой и окружающей ее средой невозможен. Тогда систе-
ма может совершать только изохорические превращения.
Будем считать, что хотя наша система динамически изоли-
рована, она все же находится в тепловом контакте с окру-
жающей средой, и температура ее равна температуре Т сре-
F, тепловая функция (энтальпия) Н, свободная энергия Гиббса 
(или просто термодинамический потенциал) Ф.

Рассмотрим несколько наиболее важных примеров термо- !
динамических процессов. Квазистатический процесс, для кото- j
рого уравнение (5) принимает вид: dU = 7US—pdV, может про- j
ходить при постоянном давлении или постоянном объеме. Если |
процесс идет при постоянном объеме, то dU = dQ и количество ,
переданной или полученной системой теплоты равно измене-
нию термодинамического потенциала U. Если процесс протека-
ет при постоянном давлении, то удобно ввести новую функцию
состояния — энтальпию: Н= U+ pV.

В этом случае можно исключить внутреннюю энергию и I
мы получаем dH = TdS+Vdp. Так как процесс квазистатиче- ;
ский (TdS = dQ) и давление постоянно, то dQ = dH. Иногда j
говорят, что энтальпия есть такой термодинамический по-
тенциал, приращение которого в квазистатическом процессе
при постоянном давлении дает полученное системой количе-
ство теплоты Q. Энтальпию называют также иногда тепловой j
функцией или теплосодержанием. Таким образом, если при'
квазистатическом процессе теплота подводится при посто- 1
янном объеме, то возрастает внутренняя энергия, а если при
постоянном давлении, то — энтальпия.

В экологии и природопользовании важно сосчитать рабо-
ту, совершаемую при различных процессах. Самым простым
случаем оказывается квазистатический адиабатический
процесс, и выражение (5) принимает вид:

d(7 = -8A.	(14)

При изотермическом процессе это равенство уже не име-
ет места, так как необходим дополнительный обмен энергией
между системой и средой для поддержания постоянной тем-
пературы в системе.

Для вычисления работы, совершаемой при квазистатиче- <
ском изотермическом процессе, запишем внутреннюю энер-
гию в виде: U- F+ G, где F— свободная энергия1, a G = TS — ’

1 Несложно понять, как возник термин «свободная энергия» системы.
Внутренняя энергия является и полной энергией системы. Но если система
находится в тепловом контакте со средой, температура которой поддержи-
вается постоянной, то только часть этой энергии, а именно (U- TS), может
быть использована для получения работы. В этом смысле она и является сво-
бодной. Оставшаяся часть при сохранении неизменной температуры среды,
с которой установлен тепловой контакт, в работу превращена быть не мо-
жет. Ее можно назвать связанной энергией.
связанная энергия. Свободную энергию обычно записывают
как: F = U- TS. Работа, совершаемая при изотермическом
переходе из состояния 1 в состояние 2 (см. рис. 7), определя-
ется не разностью значений внутренней энергии в этих со-
стояниях (которая равна нулю), а разностью значений функ-
ции F. Если процесс квазистатический, то

AjSFi-F2.	(15)

Подведем итоги: если система испытывает обратимое
превращение от начального состояния 1 к конечному состоя-
нию 2, причем оба эти состояния имеют температуру, рав-
ную температуре окружающей среды, и если система во вре-
мя превращения обменивается теплотой только с окружаю-
щей средой, то работа, проделанная системой во время пре-
вращения, равна уменьшению свободной энергии системы.
Если превращение необратимо, то уменьшение свободной
энергии системы — верхний предел работы, совершенной
системой.

Сравнивая (15) с уравнением (3), которое справедливо
только для чисто механических систем, мы видим, что сво-
бодная энергия в термодинамических системах, которые мо-
гут обмениваться теплотой с окружающей средой, играет
роль, аналогичную энергии механических систем. Разница
заключается в том, что в случае механической работы всегда
стоит знак равенства, тогда как в (15) равенство осуществля-
ется только при обратимых превращениях. Говорят, что сво-
бодная энергия является характеристической функцией для
переменных Т и V. Это означает, что зависимые перемен-
ные — давление и энтропия системы — могут быть получены
дифференцированием свободной энергии:

р = - (8F/dV)T, S = - (SF/S7)P.

Кроме расчетов работы термодинамические потенциалы
необходимы и для нахождения условий равновесия. Рассмот-
рим квазистатический изотермический процесс и в качестве
независимых переменных возьмем Т и V. Пусть система ди-
намически (не термически) изолирована от окружающей сре-
ды в том смысле, что никакой обмен в форме работы между
системой и окружающей ее средой невозможен. Тогда систе-
ма может совершать только изохорические превращения.
Будем считать, что хотя наша система динамически изоли-
рована, она все же находится в тепловом контакте с окру-
жающей средой, и температура ее равна температуре Т сре-
ды. Для такого превращения рассматриваемой системы име-*
ем

А = 0 и Fi= F2,	(16)

т. е. если система находится в тепловом контакте с окру-
жающей средой при некоторой температуре Т, или если она
динамически изолирована, так что никакая внешняя работа
не может быть совершена или поглощена, то свободная энер-
гия системы не может быть увеличена во время превраще-
ния.

Следовательно, если свободная энергия минимальна, то
система находится в состоянии устойчивого равновесия, так
как если бы какое-нибудь превращение могло увеличить сво-
бодную энергию, то это противоречило бы (16). В случае ме-
ханических систем устойчивое равновесие устанавливается
при минимальной потенциальной энергии. Поскольку услови-
ем устойчивого равновесия термодинамической системы, за-
ключенной в жесткий резервуар и имеющей температуру ок-
ружающей среды, является минимальность свободной энер-
гии, то свободная энергия часто называется термодинамиче-
ским потенциалом при постоянном объеме.

В большинстве термодинамических превращений давле-
ние и температура системы не изменяются, а остаются рав-
ными давлению и температуре окружающей среды. При та-
ких обстоятельствах возможно определить свободную энер-
гию Гиббса (термодинамический потенциал) Ф системы, ко-
торая обладает следующим свойством: если Ф имеет минимум
для данных значений давления и температуры, то система
при этом находится в равновесии:

Ф = F + pV= U- TS + pV.	(17)

В случае изобарического превращения системы термоди-
намический потенциал при постоянном давлении никогда не
может увеличиваться, т. е.

Ф(1) £ Ф(2).	(18)

Поэтому можно сказать, что если температура и давление
системы сохраняются постоянными, то состояние системы,
для которой свободная энергия Гиббса — Ф — минимальна,
является состоянием устойчивого равновесия. Иначе всякое
самопроизвольное изменение состояния системы привело бы
к увеличению Ф, но это противоречило бы неравенству (18).
Так как Ф является характеристической функцией для пере-
менных Т и р, то зависимые переменные — объем и энтропия
системы — мохуг быть получены ее дифференцированием:

V= - (ЭФ/5р)т, S = ~(дФ/дТ)Р.

Когда система обменивается со средой не только механи-
ческой и тепловой энергией, но и массой, добавляется неза-
висимая переменная N, отвечающая за изменение химиче-

ской энергии. В этом случае выражения для термодинамиче-

ских потенциалов модифицируются, и в рассмотрение вво-

дится химический потенциал

дФ

dN

, который пропор-

ционален термодинамическому потенциалу

Ф = цМ	(19)

В общем случае термодинамические потенциалы могут
зависеть еще от каких-нибудь макроскопических парамет-
ров — к, характеризующих состояние термодинамической
системы. С учетом этого внутренняя энергия, например, за-
писывается в вцде: U = [7(S, V, N, х).

Кроме упомянутых выше четырех термодинамических
потенциалов существуют и другие термодинамические по-
тенциалы: функция Крамерса, функция Планка, функция
Массье и т. д. Один из таких потенциалов — эксергия — осо-
бо полезен в экологии и будет рассмотрен в следующем раз-
деле.

Метод термодинамических потенциалов позволяет полно-
стью задать термодинамическое состояние системы. Такой
подход является в некоторой степени альтернативным и при
этом исчерпывающим по сравнению с подходом, основан-
ным на использовании термических и калорических уравне-
ний. Можно сказать, что использование термодинамических
потенциалов — основа всех расчетов в современной термо-
динамике1. Существование термодинамических потенциалов
как функций состояния является прямым следствием перво-
го и второго начал термодинамики, утверждающих, что
внутренняя энергия системы U зависит только от состояния

1 В качестве примеров укажем, что иногда бывает легко найти свобод-
ную энергию F с точностью до слагаемого, зависящего только от температу-
ры (TS). Для этого нужно вычислить изотермическую работу, совершаемую
системой. Тогда с точностью до такого же слагаемого можно найти н внут-
реннюю энергию системы. Если известна внутренняя энергия, то диффе-
ренцированием ее по S и V можно найти температуру н давление системы, а
затем по формуле (5) можно найти dQ и соответствующие теплоемкости, т. е.
получить полные сведения также и о калорических свойствах системы.
системы, т. е. от какого-либо полного набора макроскопиче-
ских параметров, но не от способа, которым это состояние
достигнуто. Дифференцируя и интегрируя термодинамиче-
ские потенциалы, можно вычислить не только все остальные
параметры, но и любые макроскопические характеристики
системы и происходящих в ней термодинамических процес-
сов.

Подведем итоги нашего рассмотрения общих условий тер-
модинамического равновесия. Начнем с адиабатически изоли-
рованной системы, которая находится в термодинамическом
равновесии, и ее энтропия S в рассматриваемом состоянии
максимальна, т. е. больше энтропий всех возможных бесконеч-
но близких состояний, в которые система может перейти без
подвода или отвода теплоты. Для этой системы самопроизволь-
ный адиабатический переход в любое соседнее состояние не-
возможен, и, следовательно, она находится в устойчивом тер-
модинамическом равновесии. Если бы такой переход был воз-
можен, то энтропии начального 1-го и конечного 2-го состояний
были бы связаны соотношением Si > Sa. Но это соотношение
находится в противоречии с принципом возрастания энтропии,
согласно которому при адиабатических переходах энтропия
может только возрастать (Si < S2). Таким образом, мы получаем
первый критерий термодинамической устойчивости: если сис-
тема адиабатически изолирована и ее энтропия в некотором
равновесном состоянии максимальна, то это состояние являет-
ся термодинамически устойчивым (по отношению к изменению
других параметров, например Т или р).

Поучительно рассмотреть случай, когда система находит-
ся в термостате, т. е. температура окружающей среды под-
держивается постоянной. Возможны два варианта: или объ-
ем системы, или давление поддерживаются постоянными.
Пусть система заключена в жесткую оболочку, т. е. V = const.
В этих условиях работа системы А всегда равна нулю. Тогда
соотношение (15) переходит в О < F\ - F2. Следовательно,
функция F может только уменьшаться или оставаться неиз-
менной. Отсюда, рассуждая как и в случае изолированной
системы, получаем следующий критерий термодинамической
устойчивости. Если температура окружающей среды и объем
системы V поддерживаются постоянными и в рассматривае-
мом состоянии функция F минимальна, то состояние систе-
мы термодинамически устойчиво.

Из выражения для свободной энергии видно, что соот-
ношение F = U - TS означает, что равновесие есть результат
конкуренции между энергией и энтропией, а температура
выступает в роли множителя, определяющего относитель-
ный вес этих двух факторов. При низких температурах пе-
ревес на стороне энергии, и можно наблюдать образование
таких упорядоченных (с малой энтропией) и низкоэнерге-
тических структур, как кристаллы. Каждая молекула внут-
ри таких структур взаимодействует со своими соседями, и
их кинетическая энергия мала по сравнению с потенци-
альной энергией, обусловленной взаимодействиями между
соседними молекулами. Каждая молекула как бы скована
взаимодействием со своими соседями. При высоких тем-
пературах доминирует энтропия и в системе устанавлива-
ется молекулярный хаос. Важность относительного движе-
ния возрастает, и регулярность строения кристалла нару-
шается.

Пусть теперь постоянными поддерживаются температура
и давление окружающей среды. Никакой работы, помимо
работы против внешнего давления, система совершать не
может, т. е. полезная работа системы всегда равна нулю. Все
самопроизвольные процессы в такой системе могут идти
только с уменьшением значения ее термодинамического по-
тенциала. Поэтому, если функция Ф = F + pV в некотором
равновесном состоянии достигла минимума, то равновесие
будет устойчивым.

Если вместо изотермических процессов мы будем рас-
сматривать изоэнтропийные, то при рассмотрении условий
термодинамической устойчивости роль потенциальных
функций выполняют внутренняя энергия и энтальпия:

1.	Если объем и энтропия системы поддерживаются по-
стоянными и система в некотором равновесном состоянии
достигла минимума внутренней энергии, то равновесие тер-
модинамически устойчиво.

2.	Если давление и энтропия системы поддерживаются
постоянными и система в некотором равновесном состоянии
достигла минимума энтальпии, то равновесие термодинами-
чески устойчиво.

Отметим, что теоретическое определение термодинами-
ческих потенциалов как функций соответствующих пере-
менных составляет основную задачу статистической термо-
динамики (реально статистической физики). Иными словами,
как и в случае статистической трактовки энтропии, мы ушли
из области классической термодинамики.
В статистической физике не все макроскопические вели-]
чины имеют микроскопические аналоги, т. е. могут быть за-]
писаны как усредненные по ансамблю функции пространст-1
венных координат и импульсов отдельной микросистемы.!
Отсутствие у некоторой величины микроскопического анало-]
га, относящегося к отдельной микросистеме, является в ста-]
тистической физике признаком немеханической природы
этой величины. К величинам, не имеющим микроскопиче-]
ских аналогов, относятся энтропия S, свободная энергия F,j
энтальпия Н, термодинамический потенциал Ф и химический]
потенциал ц, коэффициенты вязкости, диффузии, теплопро-1
водности.	1

2.11.	МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНАЯ РАБОТА. ЭКСЕРГИЯ ]

Жизнеспособность любого общества зависит в конечном ]
итоге от того, насколько эффективно оно распоряжается]
имеющимися у него природными и людскими ресурсами, по-1
этому нам крайне необходимо знать, каким количеством ре,-]
сурсов мы располагаем. В долгосрочной же перспективе]
жизнеобеспечение человечества должно почти полностью пе-]
рейти на использование возобновляемых ресурсов. По край-]
ней мере, на современном этапе это связано с использовани-J
ем все более сложных устройств и процессов, а следователь?-]
но, и с большими энергетическими затратами.

Чтобы рационально вести хозяйство, человечеству необ-1
ходимо располагать обобщенной количественной характери-1
стикой природных ресурсов любого вида. В первый момент]
это представляется невозможным, так как нужно сопос-]
тавлять, казалось бы, несопоставимые предметы. Однако]
эта идея не нова. На желательность конструирования не-|
кой единицы, позволяющей перейти к рассмотрению «аб-1
солютного ресурса», обращали внимания многие ученые.]
Так, примерно 70 лет тому назад В. И. Вернадский писал:]
«Мы не имеем еще общей единицы для количественного]
сравнения всех естественных производительных сил или,'
вернее, мы не умеем их свести к этой единице, не можем]
одной единицей, например, выразить добычу металла ш
горючего. А между тем необходимо и возможно свести щ
единой единице все; только при этом условии можно по-1
дойти к полному количественному анализу той потенции
альной энергии страны, которая может дать удобное для]
жизни представление о пределах заключающегося в дан-]
ной стране природного богатства. Только при этом условии]
можно подойти к энергетической картине окружающей
человека природы с точки зрения его жизни».

В качестве основы для построения такой универсаль-
ной единицы напрашиваются самые фундаментальные по-
нятия: вещество и энергия. Очевидная трудность, которая
встает на пути, это закон сохранения энергии. Ни сама
энергия, ни количество вещества не могут выступать в ка-
честве такой единицы. Например, суммарное количество
всех химических элементов на Земле с достаточной для та-
кого рассмотрения точностью неизменно, и любые «потери»
веществ в каких-либо процессах при соответствующих
энергетических затратах могут быть компенсированы. Во-
да и воздух могут быть регенерированы, окислы восста-
новлены, отходы превращены в удобрения и полезные про-
дукты. Точно так же рассуждать, например, о «ресурсах
энергии» или о «потерях энергии», строго говоря, нельзя,
так как энергия во всех процессах сохраняется. Как и ма-
терия, она теряться не может. Природные ресурсы наибо-
лее часто делят на энергетические и прочие ресурсы, одна-
ко такое деление достаточно произвольно. Так, например,
нефть или древесина могут успешно использоваться и как
топливо, и как сырье для производства необходимых това-
ров1. Поэтому мы будем представлять себе природные ре-
сурсы как такую форму материи, которая по своему химиче-
скому составу и строению отличается от наиболее распро-
страненных в природе веществ. Последние и образуют осно-
ву того, что мы называем абиотическим компонентом окру-
жающей среды. Параметры, т. е. химический состав и строе-
ние этих веществ, удобно взять за уровень отсчета практиче-
ской пригодности энергии, заключенной в природных ресур-
сах и произведенных энергоносителях1 2.

1 Взаимосвязь разных ресурсов друг с другом видна из следующих при-
меров. Лучшее сбережение энергии происходит за счет лучших изоляцион-
ных материалов. Использование максимально возможных температур для
получения максимального КПД цикла Карно при превращении теплоты в
работу является в основном проблемой материаловедения. Крупномасштаб-
ное использование энергии в промышленных странах необходимо как для
производства, так и для транспортировки материалов. Урожаи сельскохо-
зяйственных культур мы можем использовать как продукты питания, энер-
гоносители или как материалы.

2 На Земле воздух является одним из веществ отсчета, и поэтому его эк-
сергия — ноль, а эксергия природного газа метана очень высока. Если бы
мы оказались на Венере, то ситуация была бы диаметрально противополож-
ной, и обыкновенный земной воздух был бы там прекрасным компонентом
топлива.
Научную базу для введения «абсолютного ресурса» оказа-
лось возможным разработать с помощью термодинамики. I
Для этого необходимо вновь возвратиться к понятиям работа |
и энергия, так как любые воздействия человека на окру-
жающую среду так или иначе связаны с использованием 1
энергии или, что то же самое, с энергетикой. Получение мак- ,
симальной работы, или максимального количества необходи-
мого вещества при минимальных затратах энергетических !
ресурсов, крайне желательно как с экологической, так и с
экономической точки зрения. Поэтому мы вначале сущест-1
венно упростим задачу и спросим, сколько полезной работы I
можно получить, используя тот или иной энергетический ре- '
сурс? Или, напротив, каковы должны быть энергетические
затраты, чтобы из исходных компонентов получить нужное
вещество? Речь должна идти об энергии, которая может ра-
ботать в реальных условиях окружающей среды. Именно по-1
нятие «пригодной энергии» позволило решить задачу об «еди-1
ной единице».

Как следствие практической потребности в прикладных]
работах по термодинамике в первой половине XX в. появился
термин «техническая работоспособность», а с 1956 г. за ним
установилось название эксергия. Под этим подразумевалась 1
та максимальная работа, которую система может произвести J
при обратимом переходе в состояние полного равновесия cl
окружающей средой.

В предыдущем параграфе мы ознакомились с тем, что
работа, совершаемая термодинамической системой, опреде-
ляется убылью термодинамического потенциала, отвечающе-
го условиям процесса. Мы рассмотрели интересный в прак-
тическом отношении случай, когда в ходе процесса давление ]
и температура системы остаются равными давлению и тем- I
пературе окружающей среды (независимые переменные Т и 1
р, а зависимые — V и S). В этом случае может происходить и1
обмен веществом с окружающей средой. Было показано, что
работа всех термодинамических сил, кроме сил давления, j
равна убыли свободной энергии Гиббса (17). Теперь мы]
должны сделать последний шаг и рассмотреть максимально]
возможную работу в самом общем случае с учетом, окружаю-!
щей среды. Именно для этого нам и потребуется ввести но-
вый термодинамический потенциал — эксергию.

Говоря о цикле Карно, мы рассматривали теплоизолиро- i
ванную систему, состоящую из двух тел (нагревателя и холо-
дильника), не находящихся друг с другом в тепловом равно ]
весии1. Система в течение процесса установления равнове-
сия совершала работу (над какими-либо внешними объекта-
ми). Существенным было то, что мы предполагали, что окру-
жающая среда, в которой находится система, не сказывается
на ее работе. Нас интересовала только работа, которая про-
изводится за счет неравновесности системы, а не работа, ко-
торая могла бы быть произведена за счет общего расширения
системы. Поэтому мы считали, что в результате процесса об-
щий объем системы остается неизменным (хотя и может ме-
няться в течение процесса).

Так как система теплоизолирована, то, согласно соотно-
шению (4) и учитывая то, что энтропия может служить тер-
модинамическим параметром, произведенную системой ра-
боту запишем в виде IАI = Ео - E(S), где Ео — первоначальная
энергия системы, E(S) — энергия в состоянии равновесия как
функция от энтропии системы в этом состоянии. Производ-
ная от абсолютной величины работы IА I по энтропии S ко-
нечного состояния отрицательна:

51А | / as = -(dE/dSjv = -Т,

где Т— температура конечного состояния (производная бе-
рется при заданном значении объема системы в конечном
состоянии, совпадающем с его начальной величиной). Следо-
вательно, IА I уменьшается с увеличением S. Так как энтро-
пия теплоизолированной системы не может убывать, то мак-
симальная работа будет получена тогда, когда S останется в
течение всего процесса неизменной, т. е. переход в равно-
весное состояние совершается обратимым образом.

Чтобы осуществить обратимый перенос энергии и соот-
ветственно получить максимальную работу, нам было необ-
ходимо ввести в систему вспомогательное (рабочее) тело, со-
вершающее определенный обратимый круговой процесс.
Процесс этот должен был осуществляться таким образом,
чтобы тела, между которыми происходит непосредственный
обмен энергией, находились при одинаковой температуре.
Рабочее тело для осуществления процесса при температуре Т\
приводится в соприкосновение с телом, находящимся при
этой же температуре, и изотермически получает от него оп-
ределенную энергию (рис. 6, 7 или ПЗ, а). Затем оно адиаба-
тически охлаждается до температуры ТЬ, отдает при этой
температуре энергию телу с температурой Гг и, наконец,

1 Если бы передача энергии происходила непосредственно прн сопри-
косновении обоих тел, то никакой работы вообще не было бы произведено.
адиабатически возвращается в первоначальное состояние.
При расширениях, связанных с этим процессом, рабочее тело
производит работу над внешними объектами, и поскольку
оно возвращается в результате процесса в исходное состоя-
ние, его можно при этом вообще не рассматривать.

Примем теперь во внимание внешнюю среду и найдем в
этом случае максимальную работу, производимую системой1.
У нас теперь три объекта: первый — среда с параметрами То
и ро (буквы с индексом «О» будут относиться к среде, а без
индекса — к системе); второй — термодинамическая систе-
ма, производящая работу, а для этого в ней есть тело, с кото-
рым происходят какие-то процессы, т. е. изменения между
заданными начальным и конечным его состояниями; тре-
тий — объект, над которым совершается работа. Все они об-
разуют замкнутую систему. Предположим, что среда облада-
ет большим объемом и энергией и изменение этих величин в
результате происходящих с телом процессов не приводит к
сколько-нибудь заметному изменению температуры и давле-
ния среды, которые будем считать постоянными. Более того,
не происходят и какие-либо химические превращения.

Если бы среды не было, то работа, произведенная систе-
мой над теплоизолированным объектом при заданном изме-
нении состояния рабочего тела (т. е. заданных начальном и
конечном состояниях), была бы равна изменению энергии
системы. Наличие участвующей в процессе среды не позво-
ляет определить максимальную работу так, как мы это делали
раньше. Результат может быть неоднозначным ввиду того,
что работа может получиться не равной изменению энергии
тела. В течение процесса система может теперь обменивать-
ся со средой не только теплотой, но и работой.

Работа, произведенная средой над системой (или рас-
сматриваемой термодинамической системой над средой),
должна быть выделена из полной произведенной над систе-
мой работы, так как нас интересует лишь та работа, которая
производится данным внешним источником. Полное измене-
ние энергии системы ДЕ при изменении ее состояния скла-
дывается из трех частей: из произведенной над системой ра-
боты внешнего источника А; из работы, произведенной сре-

1 Максимальный коэффициент полезного действия определялся выра-
жением (11). На практике иногда более удобной величиной оказывается ко-
эффициент использования п, определяемый как отношение произведенной
работы к максимальной работе, которая может быть получена в данных ус-
ловиях: п = Г|/ Т]тох 2» 1.
дой, и из полученной от среды теплоты. Температуру и дав-
ление среды можно считать постоянными; поэтому произве-
денная ею над системой работа есть p0AV0, а отданное ею ко-
личество теплоты равно Т0Д2^. Таким образом, имеем:

АЕ = А +poAVo-To&So-	(20)

Поскольку объем среды вместе с системой остается неиз-
менным, то AV0 = - AV. Согласно разделам 2.6 и 2.10, имеем
AS + ASb > 0 (энтропия теплоизолированного источника рабо-
ты (нагревателя) вообще не меняется), так что ASb - ~AS. По-
этому (20) перепишем в виде:

А > АЕ - 70AS + р0АV.	(21)

Переход совершается с максимальным производством
работы, если он происходит обратимо, т. е. AS = 0. Так как То
и р0 являются постоянными величинами, то мы внесем их
под знак А, и для максимальной работы формула (21) может
быть записана в виде:

I AI max = А (Е- T0S + p0V) = де.	(22)

Функция е = Е— T0S + p0V получила название эксергии
для замкнутой системы1. Если температура и объем системы
остаются неизменными, причем Т = То, то ДЕ = AF1 2, если же
постоянны температура и давление системы, причем Т = То,
р = ро, то ДЕ = | АI тах~ АФ3.

Если находящаяся во внешней среде система предостав-
лена просто самой себе и над ней не производится никакой

1 Достаточно общим аналитическим выражением эксергии для газов
является следующее равенство: € - Н- T0S +R То £% 1пх, где Н— энтальпия,
R — газовая постоянная, к — мольная доля данного вещества.

2 Напомним, что если система находится в тепловом контакте со сре-
дой, температура которой Т поддерживается постоянной, то только часть
этой энергии, а именно U- TS, может быть использована для получения ра-
боты, и в этом смысле она и является свободной. Оставшаяся часть при со-
хранении неизменной температуры среды, с которой установлен тепловой
контакт, в работу превращена быть не может, и называется связанной энер-
гией. В предельном случае Т —► 0 различие между внутренней и свободной
энергиями пропадает.

3 В обоих этих случаях речь идет о системе, которая не находится в
равновесии, и поэтому ее состояние не определяется одними только Т и V
(или р), в противном случае постоянство этих величин означало бы, что ни-
какого процесса вообще не происходит. Речь может идти, например, о хи-
мической реакции в смеси реагирующих друг с другом веществ или о про-
цессе растворения.
работы, то в этой системе будут происходить самопроизволь-
ные необратимые процессы, приводящие ее в равновесие. В
неравенстве (21) надо теперь положить А = О, поэтому

де < 0 ,	(23)

т. е. в результате происходящих с системой процессов ее эк-
сергия будет убывать. Условие устойчивого равновесия сво-
дится к тому, что значение функции Е должно быть мини-
мальным. В настоящее время выражение для эксергии обоб-
щено и на открытые системы, в том числе и те, где протека-
ют химические реакции. Во многих прикладных исследова-
ниях эксергия стала единой универсальной мерой полезности
энергии1.

Эксергия системы в бесконечно большой окружающей
среде с температурой То может быть записана также в виде:
е = TbfS101 - 5*%), где (S*of - S10^) — отклонение от равновесно-
го значения энтропии системы и окружающей ее среды. Ин-
декс «ед» соответствует равновесному состоянию. Часто мож-
но встретить выражение для эксергии открытой системы Bi
виде, предложенном для этого потенциала еще Гиббсом:

Е = U- Ueg + po(V- Veg} - Т0(^ - S^eg) - £ |li0(ni - Ш.ед), (24)

i

где все величины были уже определены ранее. Экстенсивны-,
ми параметрами являются S, V и ш, где ш — число молей i-ro
вещества системы, интенсивными параметрами являются Г,
р и ц.— химический потенциал i-ro вещества системы. Ин-
декс «О», как уже упоминалось выше, относится к окружаю-
щей среде. Очевидно, что эксергия исчезает, когда система
стремится к равновесию. В рассматриваемое выражение мо-'
гут быть включены также эффекты, обусловленные электро-,
магнетизмом, гравитацией, радиацией и т. д.

Проведенные рассмотрения по существу не предполага-
ли, что температура и объем (или давление) тела остаются
постоянными в течение всего процесса: можно утверждать
что термодинамический потенциал (или свободная энергия
тела уменьшится в результате всякого процесса, в начале
конце которого температура и давление (или объем) одинаю
вы (и равны температуре и давлению среды), даже если ов
в течение процесса менялись.

1 Свободную энергию Гиббса или Гельмгольца, или энтальпию мо:
рассматривать как частные случаи эксергии.
Эксергия не только зависит от параметров окружающей
среды, но может просто и совпадать с энергией1. Если все
детерминировано, т. е. число возможных состояний равно
единице (W= 1, см. уравнение 10) и энтропия равна нулю, то
энергия и эксергия совпадают: € = А. Так, в механике и в
электромагнетизме состояние системы обычно определяется
однозначно, здесь нет места вероятностным законам и эн-
тропии, и здесь энергия не отличается от эксергии.

Напротив, теплота и химические процессы связаны с
движением огромного количества частиц. Энтропия здесь
является важнейшим параметром, и поэтому энергия и эк-
сергия сильно отличаются. Содержание эксергии в теплоте
зависит от температуры Ти определяется формулой: £ = Q(T-
То)/Т = Qt), т. е. коэффициентом полезного действия цикла
Карно. Иногда величину г) называют эксергетической темпе-
ратурной функцией.

Можно сказать, что необходимым условием наличия эк-
сергии являются какие-либо градиенты. В отсутствие гради-
ентов невозможно получить какую-нибудь работу. Состояние
равновесия с окружающей средой предполагает равенство
всех потенциалов и отсутствие любых потоков. Однако выбор
окружающей среды для расчета эксергии неоднозначен и
определяется смыслом решаемой задачи. Например, пара-
метры То и ро не должны зависеть от процессов, протекаю-
щих в системе, а точнее, эта зависимость должна быть пре-
небрежимо мала.

Так как значения эксергии отсчитываются от уровня, со-
ответствующего окружающей среде, то необходимо всегда
уточнять, что подразумевается под окружающей средой. Так,
при анализе работы не очень мощных электростанций под
окружающей средой понимают атмосферу или воду большого
водоема, воздействие на которые от электростанций намного
меньше естественных воздействий. Ситуация заметно ус-
ложняется, если необходимо учитывать химические взаимо-
действия с окружающей средой.

Эксергия химического соединения равна энергии Гиббса,
относящейся к химической реакции его образования и зави-
сящей от выбора вещества отсчета, и эксергии компонентов
реакции, которые известны из термодинамических справоч-
ников. Обычно принимается, что химическая эксергия топ-
лива совпадает с его высшей теплотворной способностью.

1 Если за начало отсчета энергии мы возьмем энергию, соответствую-
щую массе покоя вещества.
Для углей разного состава и разных видов жидкого углеводо-
родного топлива они различаются менее чем на 2%.

В настоящее время проведены расчеты значения эксер-
гии большинства наиболее важных природных ресурсов и
вычислена эксергия продуктов, получаемых из них: металлов,
химических соединений и отдельных элементов. Эта эксергия
равна минимальной работе, которая должна быть затрачена
на их извлечение из так называемых «веществ отсчета». Так
стало возможным выразить одной единицей добычу металла
и горючего.

2.12.	ПОТОКИ ЭКСЕРГИИ

Сравним понятия энергии и эксергии, исходя из практи-
ческих, прикладных потребностей. Значительно упрощая си-
туацию, можно сказать, что энергия определяет движение (в
самом общем виде) или способность его произвести. Она все-
гда и в любых процессах сохраняется, что утверждается пер-
вым законом (началом) термодинамики. Эксергия же просто
соответствует работе или способности ее произвести. Она со-
храняется только в обратимых процессах, в результате же
необратимых процессов она исчезает, и это неизбежно в силу
второго начала термодинамики.

Иногда говорят, что чем больше доля эксергии, тем выше
качество энергии. Однако здесь нужно быть осторожным,
так как если температура окружающей среды выше темпе-
ратуры системы, эксергия становится больше энергии. На-
пример, в случае домашнего холодильника или мощной крио-
генной установки мы имеем дело с потоками холода, т. е. по-
токами теплоты Q при температуре, ниже окружающей, ко-,
торые обладают вполне определенной эксергией. Эта эксер-
гия будет неограниченно возрастать при попытках прибли-
зиться к абсолютному нулю температуры или исчезать при
приближении температуры к окружающей. Так как эксергия
тел зависит от параметров окружающей среды, то она испы-
тывает сезонные изменения. Так, эксергия льда зимой близка
к нулю, но летом довольно велика, и для его получения нужна
значительная затрата работы.

Слова «энергосбережение» или «экономия энергии» на са
мом деле означают экономию эксергии. Самые загрязненньи
воздух, вода или почва могут быть очищены до безопасног
для человека уровня, но это требует затрат эксергии. Можн
представить себе, что человеческое общество перестане
вдруг брать у природы воду, руды и другие материальны
тела для своего существования, но вследствие второго закона
термодинамики такое общество не сможет существовать без
притока эксергии. Эксергия, необходимая для восстановле-
ния металлов из окислов, опреснения воды и всех иных ви-
дов деятельности, более чем на 95% получается сейчас из за-
пасов органического топлива. Поэтому именно эксергия пер-
вичного топлива является тем основным ресурсом, который
подлежит сбережению.

Эксергию можно определить следующим образом. Эксер-
гия — это количество работы, которое может быть получено,
когда некоторое вещество приходит в состояние термодина-
мического равновесия с наиболее распространенными ком-
понентами окружающей среды путем обратимых процессов,
включающих взаимодействие только с упомянутыми компо-
нентами окружающей среды. Самым простым примером яв-
ляется горение любого органического топлива. Что касается
энергетических ресурсов, то содержание в них эксергии рав-
но содержанию в них энергии, умноженному на эксергетиче-
ский фактор (см. табл. 4).

Таблица 4. Эксергетическнй фактор некоторых нз наиболее употреби-
тельных форм энергии

Вид энергии	Эксергетическнй фактор
Механическая энергия	1,0
Электрическая энергия	1,0
Химическая энергия	- 1,0'
Ядерная энергия	0,95
Солнечное излучение	0,93
Горячий пар под давлением (6ОО°С)	0,6
Централизованное отопление (90°С)	0,2-0,32
Вода при комнатной температуре (20°С)	0-0,22
Тепловое излучение Земли	0

1 Может быть больше единицы в зависимости от определения границ
системы и конечного состояния.

2 Зависит от наружной температуры.

В любом процессе передачи энергии поток эксергии
только уменьшается. Мера сохранения эксергии в потоке по
отношению к входному или начальному значению может
служить коэффициентом полезного действия. Еще в прошлом
был разработан диаграммный способ изображения передачи
потоков энергии — в виде полосы, ширина которой пропор-
циональна потоку энергии. Когда энергия теряется, то от ос-
новного потока отделяются нежелательные ручейки энергии,
не доходящей до потребителя. Эти ручейки уходят в воздух
или в землю. На диаграмме они изображались отходящими от
основной полосы стрелками разной ширины. Точно так же
можно изображать и потоки эксергии. В отличие от потока
энергии, поток эксергии уменьшается там, где растет энтро-
пия, и даже в идеально изолированной трубе может сни-
жаться до нуля.

Рассмотрим три примера. Так как нас интересуют гло-
бальные экологические проблемы, то мы проведем анализ эк-
сергетического баланса Земли, который, в конечном счете,
определяет все. Какими же ресурсами человечество распола-
гает и как они расходуются? Если массу Земли мы считаем
неизменной, то эксергетический баланс будет базироваться
только на характеристиках потоков энергии, которые она
получает и отдает. Известно, что поток энергии солнечного
излучения, попадающий на верхнюю границу атмосферы
Земли, составляет в среднем 1,74-1017 Вт. Из него - 32% от-
ражается, и, следовательно, ~ 1,19-1017 Вт поступает на Зем-.
лю. Эта энергия преобразуется в биосферных процессах й'
практически, полностью испускается в космос в виде тепло-
вого излучения (рис. 9).1

С
О
Л
н
Ц
Е

ГИЯ

©

Рис. 9. Потоки энергии, ве- ,
щества и эксергии на Земле

Эксергетический фактор солнечного излучения составля-
ет 0,93. Следовательно, поток эксергии, достигающий Земл1
равен 1,11-1017 Вт. Почти весь этот поток остается на Земл
поскольку отток эксергии, определяемый невысокой средне
температурой земной поверхности, практически равен нулю

Затухание потока эксергии в основном происходит :
счет того, что он вызывает движение веществ. Наиболее н
глядным примером являются атмосфера и гидросфера. Н
значительная часть потока расходуется на поддержан!

1 Если мы говорим о стационарном энергетическом балансе Земли,
нужно помнить, что к излучаемому потоку энергии следует добавить потен
связанные с энергией антропогенного происхождения и с излучением вн
реннего тепла Земли, однако эти добавки очень малы.
жизни — на синтез сложных структур с большой удельной
эксергетической емкостью, способных к самовоспроизводст-
ву. Человечество непосредственно использует лишь ничтож-
ную часть этого громадного потока. Эту часть можно, в свою
очередь, разделить на две части, одна из которых расходует-
ся на сельское хозяйство, другая — на все прочее. Сюда от-
носятся: солнечные электростанции, сушка1, нагревание во-
ды и т. д., а также опосредованное использование солнечной
энергии благодаря циркуляции вещества в атмосфере и гид-
росфере (ветровые и гидроэлектростанции). Все это состав-
ляет менее 0,01% первичного потока.

Основную часть используемой обществом эксергии мы
получаем сегодня не от Солнца, а из ресурсов, образовав-
шихся на Земле за последний миллиард лет (рис. 10). По за-
конам сохранения вещества и энергии человечество возвра-
щает все, что потребило, но уже в виде промышленных и бы-
товых отходов, количество которых таково, что приводит к
изменению ландшафтов.

Рис. 10. Представление ресурсного базиса современной
цивилизации в виде потоков эксергии от Солнца и из есте-
ственного запаса эксергии на нашей планете

1 Поток эксергии, затрачиваемый на сушку в промышленности, сель-
ском хозяйстве и в быту, несравнимо больше затрат эксергии в солнечной
энергетике.
Вторичные ресурсы, эксергия которых используется, со-
ставляют пока ничтожную часть от полного количества ис-
пользуемых ресурсов. Таким образом, ресурсы всех сфер не-
живой природы в результате деятельности человека только
расходуются. Суммарный процесс идет исключительно в од-
ну сторону — негативную. Основной резерв — эксергия сол-
нечного излучения в современной цивилизации почти не за-
действован. Как правило, происходит непрерывное умень-
шение эксергии, хотя могут быть и исключения. Так, напри-
мер, поток эксергии, связанный с получением металлов из
руд, возрастает, но это является исключением.

На рис. 11 представлена эксергетическая диаграмма «ме-
таболизма» современного промышленного общества. Полез-
ные ископаемые добываются из месторождений, перераба-
тываются, используются и, в конечном итоге, становятся от-
ходами. Это одностороннее движение на языке современной
экономики называется производством и потреблением.

Рис. 11. Современное производство— превра-
щение полезных ископаемых (природных ресурсов) в
отходы

Принципиально иной круговорот веществ происходит в
невозмущенной биосфере. Она постоянно самовосстанавли-
вается и развивается благодаря фотосинтезу (рис. 12). Един-
ственным и неисчерпаемым источником эксергии является
эксергия солнечного излучения. Зеленые растения получают
за счет фотосинтеза ~ 0,2% эксергии солнечного излучения1 и

1 Это величина, в несколько десятков раз превышающая мощность всех
электростанций мира. За счет этой части общего потока эксергии образова-
лась, поддерживает свое существование и развивается вся масса биосферы.
Все потребности в биологических продуктах человечество удовлетворяет из
этого единственного источника, который может восстанавливаться.
превращают ее в химическую эксергию биомассы, которая
движется затем по различным трофическим цепям. В каж-
дом звене этой цепи эксергия потребляется. Последнее звено
представляют микроорганизмы, которые разлагают ранее
образованные вещества.

Рис. 12. Экологическое производство и потребление

Та часть эксергии, которая не используется микроорга-
низмами, превращается в горючие ископаемые, например
нефть или уголь. В результате экологической эволюции воз-
растает порядок (уменьшается энтропия). При рассмотрении
эволюции современного общества (рис. 11) процессы повтор-
ного использования и рафинирования за счет эксергии сол-
нечного излучения практически отсутствуют. Те процессы
повторного использования и рафинирования, которые ис-
пользуются сегодня, связаны с огромными затратами накоп-
ленной эксергии угля, нефти и т. д.

В качестве второго примера проанализируем уменьшение
эксергии при передаче ее от угля к электрическому току,,
приходящему к нашим домам (рис. 13). Нас интересует, ка-
кая доля эксергии теряется на этом пути, поэтому эксергИщ
угля в недрах примем за ЮОУо1.

Вначале рассмотрим внешние потери эксергии, т. е. те, ко-
торые уносятся с материальными потоками либо угля, либо на-
гретых газов. Уголь прежде всего нужно добыть: извлечь и дос-
тавить на поверхность. Для этого необходим поток электро-
энергии к врубовому комбайну и подъемной машине. Электрр-

Наши рассмотрения носят, конечно, иллюстративный характер.
100%
Уголь в недрах

34% г
Электро-
энергия
,31%t
Потре-
битель

90%

Доставленный

Обогащенный
87%

94%
Добытый

а 44% г
Пар в котле

5

6

Рис. 13. Эксергетическая
диаграмма преобразования эк-
сергии угля в электроэнергию

энергия, необходимая для ра-
боты шахты, поступает от
электростанции, сжигающей
такой же уголь. Это приводит
к 6% потери эксергии, обозна-
ченной стрелкой с цифрой 1.
Затем уголь поступает на обо-
гатительную фабрику, где от
него отделяют пустую породу и
сушат. На это уходит ~ 4% эк-
сергии (стрелка 2). Доставка
угля на электростанцию требу-

ет в среднем затрат электро-
энергии (эксергии) ~ 3% (стрел-
ка 3). Очевидно, что электро-
станцию желательно строить
как можно ближе к месту до-
бычи угля. Из доставленного
на электростанцию потока эк-
сергии, равного 87% от исход-
ного, ~ 2% уходит из котла с
дымовыми газами.

Почти половина оставше-
гося потока эксергии (43%)
теряется за счет внутренних
причин. Это так называемое

химическое и термическое трение, т. е. возрастание энтро-
пии в процессе горения топлива и передачи энергии от горя-
чих газов к водяному пару в котле (стрелка 4).

Кинетическая энергия потока пара, поступающего в турби-
ну, несет ~ 44% исходного потока эксергии. Примерно 10%
(стрелка 5) из него теряется в турбине и электрическом генера-
торе, а 34% создает поток электрических зарядов, несущих
электроэнергию. Потери на этом этапе, к сожалению, не кон-
чаются, и ~ 3% теряется в линиях электропередач (стрелка 6), и
мы получаем только -31% исходного потока эксергии.

Насколько эффективно мы распоряжаемся этим потоком
эксергии? Включим электрокамин, дающий на выходе теплый
воздух. В камине вся подведенная электроэнергия преобразует-
ся в теплоту, но эта теплота низкой температуры, в которой эк-
сергия очень мала. В результате на выходе из электрокамина
мы получаем только ~ 3% эксергии, содержавшейся в угле.
Электроотопление на практике распространено очень мало и
для его оправдания нужны специальные аргументы.
Уже известной нам альтернативой электроотоплению в
будущем станет тепловой насос (см. рис. 8). Его особенно це-
лесообразно использовать, если в качестве источника энер-
гии мы вынуждены использовать только электроэнергию, на-
пример тогда, когда котельная или теплоэлектроцентраль не-
допустимы из-за экологических требований или практически
недоступны в условиях крайнего севера, куда, однако, легко
привезти малую АЭС. Самая современная котельная оказы-
вается заметно менее эффективной, чем система электро-
станция — тепловой насос. Тепловой насос, имеющий более
высокий эксергетический КПД, приводит к возможности су-
щественной экономии топлива1.

Насколько эффективным прибором является наш домаш-
ний холодильник, КОД лучшего из которых не превышает 12%?
На охлаждение продуктов в рассматриваемом случае пойдет
0,31-0,12 ~ 0,04 (т. е. ~ 4%) от первоначально затраченной эк-
сергии. Очевидно, что в конце любой технологической цепочки
единица эксергии существенно дороже исходной. В случае
электроотопления «удорожание» происходит примерно в 33
раза, а в случае холодильника примерно в 25 раз. Конечно,
имеются технологические процессы, которые могут достигать
15-20% эффективности, но это является исключением. Более
того, мы учитывали только энергетические затраты; если же
принять во внимание затраты эксергии на оборудование, мате-
риалы, строительство и т. д., то общая стоимость затрат эксер-
гии на единицу продукта возрастет значительно. В каждом не
выключенном вовремя электрокамине, брошенном куске стекла
или гвозде заключены большие затраты эксергии, т. е. природ-
ных ресурсов. Их экономия тем выше, чем ближе к концу тех-
нологической цепочки она имеет место.

И, наконец, в качестве последнего примера рассмотрим
один из возможных способов получения электроэнергии из
эксергии солнечного излучения. Известно, что получить рабо-
ту, охлаждая море, нельзя, так как для получения работы
требуется природная разность потенциалов или природный
поток эксергии. Такая ситуация всегда имеет место в тропи-
ческих морях, где верхний слой воды нагревается Солнцем
до ~ 25°С, а внизу, на глубине в несколько сотен метров, в
толще воды всегда одинаковая низкая температура ~ 5°С.

1 Эксергетический анализ показывает, что идеальный трансформатор
теплоты, т. е. двигатель + тепловой насос, где вся мощность двигателя отда-
ется компрессору, в сравнении с идеальной котельной, потребляет в 2,5 раза
меньше топлива при выдаче потребителю одинакового количества теплоты.
Разность ~ 20°С достаточна для получения работы, т. е. для]
создания теплового двигателя, использующего морскую воду]
в качестве топлива.	1

На первый взгляд кажется, что такая малая разность]
температур приведет к очень низкой плотности притоки
энергии, а это обусловит огромные размеры теплообменников]
океанского двигателя. Оценки показали, что в силу высоком
теплоемкости воды плотность потока эксергии здесь пример-]
но в 100 раз выше, чем в хвостовой поверхности энергетиче-1
ского котла, и в 1000 раз выше солнечной постоянной. Таким]
образом, океан это не только аккумулятор, но и концентратор]
солнечной энергии. Так как поток эксергии зависит от раз-|
ницы температур квадратично, то при уменьшении ДТ ниже
20 К приток эксергии резко снижается.	1

На известных к настоящему времени станциях теплая
вода из верхних слоев океана омывает теплообменник — «ко-J
тел», где кипит специальное рабочее тело, например, как и я
тепловом насосе, фреон. Пары фреона вращают турбину ifl
генератор, а затем конденсируются в другом теплообменийч
ке, охлаждаемом водой из глубин океана. Уже построены!
океанские тепловые электростанции (ОТЭС) электрической
мощностью 100 кВт. Такую электростанцию построили, нам
пример, в Японии на небольшом острове Науру в Тихом]
океане. Электростанция находится на берегу, а теплая и хоч
лодная вода подводится полиэтиленовыми трубами диаметч
ром 700 мм и длиной около 1 км.	1

ОТЭС можно рассматривать как тепловой насос наобо-]
рот. Действительно, тепловой насос создает разность темпе-]
ратур в потоке энтропии, затрачивая электроэнергию, а оке-]
анский двигатель выравнивает природную разность темпе]
ратур и выдает электроэнергию.

ОТЭС являются достаточно перспективными источника]
ми энергии среди других методов получения электроэнергия
из возобновляемых источников энергии. Несомненным' дос]
таинством ОТЭС является высокая концентрация в океана
природного потока эксергии из-за нагрева солнцем его верх]
него слоя. Еще большую концентрацию эксергии солнечного
излучения можно получить с помощью искусственной модели
океана— солнечного соляного пруда1, где подавлено пере!
мешивание воды.

1 Это неглубокий водоем с соленой водой, которая внизу, возле дна,
гревается солнцем почти до кипения, а вверху так же холодна, как от
жающий воздух.
Знание эксергии сырья и энергетических источников по-
зволит составить реестр всех природных ресурсов любого ре-
гиона или Земли в целом. Более того, можно проследить, как
используются эти ресурсы. Чем меньшая доля эксергии в ка-
ждом конкретном случае исчезает, тем процесс совершеннее,
ближе к идеальному (и наоборот). Такой подход должен по-
мочь современным экономическим методам, опирающимся
на денежные оценки стоимости, правильно учесть и роль ес-
тественных производительных сил. Для нас существенно то,
что эксергетический анализ позволяет предложить пути оп-
тимизации различных процессов с учетом возможных эколо-
гических последствий, например, энергетического обеспече-
ния того или иного региона. Однако рационально такое
улучшение или нет, решают пока на основании экономиче-
ского анализа.

В семидесятых годах экономисты создали ряд больших
всемирных моделей1, в которых обсуждалось, как эффектив-
но описать и оптимизировать использование ресурсов во
времени. Они составили основу для разработки дальнейших
теорий по планированию ресурсов. К сожалению, подобные
работы часто не учитывали адекватно физические ограниче-
ния при моделировании1 2. Привлечение развитого к настоя-
щему времени эксергетического анализа позволит сущест-
венно улучшить эти модели, так как эксергия является той
физической характеристикой ресурсов, которая может быть
сопоставлена с экономической ценностью. Поэтому она ока-
зывается очень удобной для оптимизации расчетов энергети-
ческих затрат и для экологического моделирования. Эксергия
позволяет проводить последовательное описание результатов
использования того или иного природного ресурса и экологи-
ческих последствий этого.

При рассмотрении дефицита ресурсов в экологической
литературе часто можно прочесть, что ограничены не только
энергетические, но и другие ресурсы— руды, вода, пища и
т. д. Из всего вышесказанного следует, что в силу закона со-

1 В экологической литературе наибольшую известность получила модель
Meadows & Meadows, разработанная в 1972 и 1977 гг.

2 Стоимость должна отражать ценность (полезность), однако ценность
заключается не в энергии, а в эксергии. Использование содержания эксер-
гии как основы для оценки стоимости важно в менеджменте для политики
цен на продукцию и для оценки доходов. Это также важно для инженерных
решений, включая решения по оптимизации. Таким образом, эксергия, а не
энергия, является единственной рациональной основой для оценки: топлива
н ресурсов, процессов, устройств и эффективности систем, потерь и других
расходов, а также величины и стоимости продукции.
хранения энергии ничто из перечисленного с Земли не исче-
зает. После того, как будет разработан надежный источник
эксергии, например солнечный или термоядерный, всегда
можно будет очистить загрязненную воду, восстановить же-
лезо из ржавчины, синтезировать углеводы и т. д. Так как
закона сохранения эксергии не существует, то она и есть тот
абсолютный ресурс, который надо беречь.

В нынешней энергетике в основном используется не те-
кущий поток эксергии Солнца, а прошлый, накопленный в
запасах органического топлива за многие миллионы лет. Че-
ловечество должно в ближайшие десятилетия, используя за-
пасы эксергии топлива, разработать технологию преобразо-
вания текущих потоков эксергии Солнца. Будем надеяться,
что органического топлива на этот период хватит. Добываем
мы не энергию, а вещества с большим содержанием эксер-
гии.

Беречь надо топливо как основной источник эксергии и
электроэнергию как поток эксергии. Эксергия, в отличие от
энергии, отражает тот факт, что тепло и холод наиболее до-
роги тогда, когда они нам требуются более всего. Так, произ-
водить зимой лед, а летом тепло, конечно, дешевле, чем лед
летом, а тепло зимой. Напомним, что эксергия льда зимой
нулевая, а летом большая.

Может показаться, что в России, где примерно половина
первичных энергоресурсов используется для производства
теплоты с температурой ~ 100°С, мы можем обойтись без эк-
сергетического анализа. Однако высокий потенциал теплоты
(т. е. большая эксергия) полезен и тогда, когда требуется теп-
лоноситель с невысокой температурой. Мы уже убедились,
что 1 Дж высокопотенциальной теплоты позволяет с помо-
щью трансформации теплоты получить 2 или 3 Дж низкопо-
тенциальной теплоты, а это приводит к существенному сни-
жению затрат первичных энергоресурсов. Чрезвычайно важ-
ным является и решение того, как распределять затраты топ-
лива на электроэнергию и теплоту при их совместном произ-
водстве на ТЭЦ. Поэтому процессы отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха, при которых отличие темпера-
тур потоков от окружающей температуры мало, особенно не-
обходимо анализировать в рамках эксергетического анализа.
Более того, когда природные ресурсы представляют собой
источники теплоты невысокой температуры, отличие их эк-
сергии от энтальпии особенно велико. Поэтому, например,
учет геотермальных ресурсов следует проводить по их эксер-
гии, а не по энтальпии.
2.13.	ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЕ-БРАУНА

Другую возможность рассмотреть условия равновесия и
поведение системы при отклонениях от равновесного состоя-
ния (без привлечения методов статистической физики) пре-
доставляют теоремы, управляющие поведением систем, вы-
веденных из состояния равновесия, — теоремы модерации.
Наиболее известная из таких термодинамических теорем на-
зывается принципом Ле Шателье-Брауна. Этот принцип по-
зволяет предвидеть направление течения процесса в системе,
когда она выведена внешним воздействием из состояния ус-
тойчивого равновесия. Он был установлен А. Ле Шателье в
1884 г. и обоснован К. Брауном в 1887 г. на основе анализа
общего термодинамического условия равновесия (макси-
мальности энтропии) к

Этот принцип не позволяет высказывать никаких коли-
чественных заключений о поведении системы. Согласно это-
му принципу, внешнее воздействие, выводящее систему из
состояния равновесия, вызывает в этой системе процессы,
стремящиеся ослабить результат этого воздействия. Необхо-
димым условием его применимости является наличие устой-
чивости равновесия, из которого система выводится внеш-
ним воздействием1 2. Он был сформулирован как обобщение
знаменитого электродинамического правила Ленца, опреде-
ляющего направление индукционного тока.

Рассмотрим на простейших примерах проявление прямой
и косвенной реакций системы на внешние воздействия, со-
гласно принципу Ле Шателье. Пусть система, состоящая из
двух тел 1 и 2, находится в равновесии при температуре Т
(рис. 14, а). Если система подверглась некоторому воздейст-
вию А, нарушившему равновесие и повысившему темпера-
туру тела 1 на ДТ, то, согласно принципу Ле Шателье, прямая
реакция системы будет направлена на уменьшение действия
А. Этот принцип представляет собой, по сути дела, физиче-
скую интерпретацию рассмотренных в разделе 2.9 условий
устойчивости равновесия. Действительно, теплота будет пе-

1 В формулировке Ле Шателье принцип гласит: всякая система, нахо-
дившаяся в состоянии химического равновесия, претерпевает в результате
•изменения одного из факторов, определяющих равновесие, такое изменение,
которое, происходя само по себе, вызвало бы изменение рассматриваемого
фактора в противоположном направлении.

2 Принцип Ле Шателье неприменим, например, к процессам, переводя-
щим систему в более устойчивое состояние посредством взрыва.
реходить от тела 1 к телу 2. Это приведет к уменьшению раз-
ности температур АТ, т. е. к уменьшению действия А1.

Рис. 14. Примеры реакций системы на внешние воздейст-
вия, согласно принципу Ле Шателье: а — прямая реакция, б —
косвенная

Для рассмотрения косвенной реакции обратимся к рис,
14, б. Вещество, составляющее нашу систему, заключено в
теплопроводящий цилиндр с поршнем. Поршень уравнове-
шивается внешним давлением р. Мы сообщаем веществу не-
которое количество теплоты AQ (действие А), и равновесие
нарушается. Прямая реакция состоит в увеличении темпера-1»
туры вещества АТ Однако теперь возможна и косвенная ре-
акция, которая состоит в том, что могут измениться давление
и объем и, как результат, поршень сместится.

Из теории устойчивости термодинамического равновесия,
следует, что (AT)v > (АТ)Р и, следовательно, изменение темпе-
ратуры будет больше, когда не может произойти изменения
объема (фиксированное положение поршня), чем в том слу-
чае, когда изменение объема допускается (подвижный пор-
шень). Так как поршень не закреплен, то он будет двигаться
таким образом, чтобы уменьшить эффект действия А. В этом
и будет заключаться косвенная реакция.

Таким образом, значение принципа Ле Шателье-Брауна
состоит в том, что на его основе, без дальнейшего конкретно-
го анализа, можно предсказать направление, в котором под
влиянием внешнего воздействия изменится термодинамиче-
ский процесс, протекающий в произвольной системе. В каче-
стве примера выясним, в каком направлении смещается со-
стояние равновесия сложной гетерогенной системы, состоя-
щей из нескольких фаз или многих компонентов. Известно,
что детальный анализ условий равновесия в таких системах

1 Если бы мы последовательно рассмотрели условие термодинамическо-
го равновесия, то увидели бы, что наличие потока теплоты SQ означает
уменьшение энтропии: 8S -- SQ/Ттела 1. Так как (8T/8S)v “ T/CV > О, то
температура тела 1 уменьшается на величину 5Т = (Т/ Cv) 8S = - 8Q/ cv.
затруднителен. Рассмотрим химические реакции в смеси га-
зов при постоянных объеме и температуре:

niAi + П2А2 + ... + ПгАг miBi + ГП2В2 + ... + msBs, (25)

где П1, П2, ..., Пг молей газов Ai, Аг, , Аг вступают в реакцию,
в результате чего возникает mi, m2, ..., ms молей газов Bi, В2,
..., Bs (nj, пг, ... и mi, m2,...—целочисленные коэффициенты
реакции).

Реакцию называют экзотермической или эндотермиче-
ской в зависимости от того, выделяется или поглощается сис-
темой теплота при протекании реакции (25) в прямом на-
правлении. Так как при протекании реакции V = const, то
система не совершает никакой работы. Поэтому теплота, по-
глощенная системой, равна, согласно первому закону термо-
динамики, изменению энергии системы АП.

Если повысить температуру смеси реагирующих веществ,
находящихся в состоянии химического равновесия, то, соглас-
но принципу Ле Шателье, в системе при этом стимулируются
процессы, поглощающие теплоту. Реагирующая смесь придет в
новое состояние равновесия, причем некоторая часть продук-
тов реакции прореагирует таким образом, чтобы поглотилась
теплота. Следовательно, при повышении температуры химиче-
ская реакция протекает в том направлении, в котором она яв-
ляется эндотермической. Например, химической адсорбции га-
зов, как правило, сопутствует выделение теплоты (экзотермиче-
ская адсорбция). Соответственно при повышении температуры
наблюдается десорбция газов (эндотермическое направление
реакции). Принцип Ле Шателье позволяет также предсказать, в
каком направлении сместится состояние равновесия, если из-
менить какие-либо другие внешние параметры, определяющие
состояние системы.

Пусть теперь при постоянной температуре изменяется дав-
ление. Что будет с химическим равновесием в реакции (25)?
Отметим, что когда протекает реакция (25), то число молей в
нашей газовой системе изменяется. Если

т+ пг + ... + Пг < mi + m2 + ... + ms,	(26)

то число молей при реакции слева направо увеличивается, а
если неравенство имеет противоположный знак, то число мо-
лей уменьшается. Если имеет место неравенство (26), то
смещение равновесия направо будет увеличивать давление в
системе, и наоборот. Поэтому следует ожидать, что увеличе-
ние давления газовой смеси сместит равновесие влево, т. е. в
таком направлении, чтобы противиться увеличению давле-
ния (увеличение давления будет смещать равновесие в на-j
правлении уменьшения числа молей в системе, и наоборот).I
Этот результат может быть непосредственно получен из за-"
кона действующих масс.	I

Если мы увеличим давление в системе при той же темпера-t 
туре, то концентрация компонентов газовой смеси возрастает.
Если бы химическое равновесие не нарушалось, то концентра-1
ция всех компонентов должна была бы возрасти, приобретя]
общий множитель. Считая, что имеет место неравенство (26),j
можно показать, что низкие давления способствуют процессам !
диссоциации, а высокие давления — процессам синтеза.	г

На справедливость принципа Ле Шателье-Брауна приме- !
нительно к биосфере можно найти ссылки во многих моно-]
графиях по экологии. Этот принцип является существенным]
элементом теории биологической регуляции окружающей]
среды, развиваемой В.Г. Горшковым. Суть ее состоит в том,!
что естественные процессы в биосфере обладают наибольшей I
возможной скоростью изменения свойств, и в первую оче-
редь состава окружающей среды. Эта скорость намного прет
восходит современные скорости антропогенного воздействия
на окружающую среду и в тысячи раз— скорости измене-;
ний, происходящих за счет геофизических процессов. j

Предполагается, что биота поддерживает определенный1
химический состав окружающей среды, а если это так, то.
она должна подчиняться принципу Ле Шателье: при возник-
новении внешних возмущений, нарушающих состояние ок-
ружающей среды, в биоте должны возникать процессы, ком-.
пенсирующие это возмущение. Последнее может происхо-
дить, например, за счет направленного изменения соотноше-
ния между синтезом и разложением органических веществ.
Огромная мощность, развиваемая биотой Земли, таит в себе
одновременно и скрытую опасность быстрого разрушения
окружающей среды.

2.14.	ПРОТИВОРЕЧИЯ МЕЖДУ КЛАССИЧЕСКОЙ
ТЕРМОДИНАМИКОЙ И ЭВОЛЮЦИЕЙ

Проблемы эволюции1, играющие первостепенную роль
при анализе глобальных экологических проблем, уже, по

1 Эволюция — необратимый процесс исторического изменения живого.
Из многочисленных ненаправленных мутаций как элементарного эволюци-
онного материала естественный отбор формирует такие комбинации при-
знаков и свойств, которые ведут к возникновению адаптации организмов к
крайней мере, полтора века приковывают к себе внимание
многих ученых. Ее истоки прослеживаются от античных фи-
лософов до таких естествоиспытателей XVII-XIX вв., как
Р. Гук, Д. Дидро, Ж. Бюффон и Ж.Б. Ламарк, создавший в
1809 г. первую концепцию эволюции, получившую название
ламаркизма. Создание Ч. Дарвином в 1859 г. эволюционной
теории (в те же примерно годы, когда было установлено вто-
рое начало термодинамики) поставило эволюционное учение
на научную основу. Можно сказать, что со второй половины
XIX в., вслед за биологией, эволюционный подход входит и в
другие области естествознания. Широкое распространение
получили теории эволюции Земли, земной коры, Солнечной
системы и даже всей Вселенной.

Вполне естественно, что для последующего развития тео-
рии эволюции — науки о причинах, движущих силах, меха-
низмах и общих закономерностях эволюции живых организ-
мов — ученые хотели опираться и на последовательную фи-
зическую теорию. Со своей стороны, физика, как ведущая
естественнонаучная дисциплина, не могла оставаться в сто-
роне от эволюционной проблематики, оказавшейся в центре
всеобщего внимания. Концепцию возрастания энтропии и
можно рассматривать как своеобразную реакцию на эту
проблему.

Непоколебимый авторитет физики, завоеванный ею во
второй половине XIX в., базировался тогда на успехах многих
наук: механики, электродинамики и не в последнюю оче-
редь — термодинамики. С тех пор на протяжении многих лет
доверие к достижениям физики возрастало. Поэтому естест-
воиспытатели в любых областях знаний не могли игнориро-
вать второе начало термодинамики и сформулированный на
его основе вывод об эволюции в сторону беспорядка.

В то же время обозначилось и противоречие в понимании
хода эволюции у физиков и естествоиспытателей-нефизиков.
Это противоречие даже привело к вопросу: достаточно ли
фундаментален закон возрастания энтропии? Дело в том, что
эволюция как постепенный переход к неупорядоченному,
хаотическому состоянию с максимальной энтропией бес-
спорна только для ученых, занимающихся термодинамикой.
Для огромного числа естествоиспытателей бесспорна эволю-

условиям внешней среды. В 1890 г. известный палеонтолог Л. Долло сформу-
лировал биологический принцип, получивший название закона Долло, со-
гласно которому эволюция необратима, т. е. структуры и функции, отверг-
нутые в процессе эволюции, никогда не появляются вновь при последующем
развитии данной линии организмов.
таком направлении, чтобы противиться увеличению давле-
ния (увеличение давления будет смещать равновесие в на-
правлении уменьшения числа молей в системе, и наоборот).
Этот результат может быть непосредственно получен из за-
кона действующих масс.	i

Если мы увеличим давление в системе при той же темпера--
туре, то концентрация компонентов газовой смеси возрастает.
Если бы химическое равновесие не нарушалось, то концентра-
ция всех компонентов должна была бы возрасти, приобретя
общий множитель. Считая, что имеет место неравенство (26),
можно показать, что низкие давления способствуют процессам
диссоциации, а высокие давления — процессам синтеза. !

На справедливость принципа Ле Шателье-Брауна приме-
нительно к биосфере можно найти ссылки во многих моно-
графиях по экологии. Этот принцип является существенным
элементом теории биологической регуляции окружающей
среды, развиваемой В.Г. Горшковым. Суть ее состоит в том,
что естественные процессы в биосфере обладают наибольшей
возможной скоростью изменения свойств, и в первую оче-
редь состава окружающей среды. Эта скорость намного пре-
восходит современные скорости антропогенного воздействия
на окружающую среду и в тысячи раз— скорости измене-
ний, происходящих за счет геофизических процессов.

Предполагается, что биота поддерживает определенный
химический состав окружающей среды, а если это так, то
она должна подчиняться принципу Ле Шателье: при возник-
новении внешних возмущений, нарушающих состояние ок-
ружающей среды, в биоте должны возникать процессы, ком-
пенсирующие это возмущение. Последнее может происхо-
дить, например, за счет направленного изменения соотноше-
ния между синтезом и разложением органических веществ.
Огромная мощность, развиваемая биотой Земли, таит в себе
одновременно и скрытую опасность быстрого разрушения
окружающей среды.

2.14.	ПРОТИВОРЕЧИЯ МЕЖДУ КЛАССИЧЕСКОЙ
ТЕРМОДИНАМИКОЙ И ЭВОЛЮЦИЕЙ

Проблемы эволюции1, играющие первостепенную роль
при анализе глобальных экологических проблем, уже, по

1 Эволюция — необратимый процесс исторического изменения живого.
Из многочисленных ненаправленных мутаций как элементарного эволюци-
онного материала естественный отбор формирует такие комбинации при-
знаков и свойств, которые ведут к возникновению адаптации организмов к
крайней мере, полтора века приковывают к себе внимание
многих ученых. Ее истоки прослеживаются от античных фи-
лософов до таких естествоиспытателей XVII-XIX вв., как
Р. Гук, Д. Дидро, Ж. Бюффон и Ж.Б. Ламарк, создавший в
1809 г. первую концепцию эволюции, получившую название
ламаркизма. Создание Ч. Дарвином в 1859 г. эволюционной
теории (в те же примерно годы, когда было установлено вто-
рое начало термодинамики) поставило эволюционное учение
на научную основу. Можно сказать, что со второй половины
XIX в., вслед за биологией, эволюционный подход входит и в
другие области естествознания. Широкое распространение
получили теории эволюции Земли, земной коры, Солнечной
системы и даже всей Вселенной.

Вполне естественно, что для последующего развития тео-
рии эволюции — науки о причинах, движущих силах, меха-
низмах и общих закономерностях эволюции живых организ-
мов — ученые хотели опираться и на последовательную фи-
зическую теорию. Со своей стороны, физика, как ведущая
естественнонаучная дисциплина, не могла оставаться в сто-
роне от эволюционной проблематики, оказавшейся в центре
всеобщего внимания. Концепцию возрастания энтропии и
можно рассматривать как своеобразную реакцию на эту
проблему.

Непоколебимый авторитет физики, завоеванный ею во
второй половине XIX в., базировался тогда на успехах многих
наук: механики, электродинамики и не в последнюю оче-
редь — термодинамики. С тех пор на протяжении многих лет
доверие к достижениям физики возрастало. Поэтому естест-
воиспытатели в любых областях знаний не могли игнориро-
вать второе начало термодинамики и сформулированный на
его основе вывод об эволюции в сторону беспорядка.

В то же время обозначилось и противоречие в понимании
хода эволюции у физиков и естествоиспытателей-нефизиков.
Это противоречие даже привело к вопросу: достаточно ли
фундаментален закон возрастания энтропии? Дело в том, что
эволюция как постепенный переход к неупорядоченному,
хаотическому состоянию с максимальной энтропией бес-
спорна только для ученых, занимающихся термодинамикой.
Для огромного числа естествоиспытателей бесспорна эволю-

условиям внешней среды. В 1890 г. известный палеонтолог Л. Долло сформу-
лировал биологический принцип, получивший название закона Долло, со-
гласно которому эволюция необратима, т. е. структуры и функции, отверг-
нутые в процессе эволюции, никогда не появляются вновь при последующем
развитии данной линии организмов.
ция окружающего нас мира в сторону усложнения, самоор-
ганизации. Мы попадаем вдруг в такую ситуацию, когда
«физическая» эволюция оказывается как бы в разительном
противоречии с «естественнонаучной». Это противоречие не*
обходимо разрешить, если мы хотим считать закон возраста-
ния энтропии действительно фундаментальным законом,
природы и использовать его для анализа разнообразных не-
обратимых процессов в дальнейшем.

Итак, необратимость эволюции не вызывает сомнения,»
однако к чему она ведет? С признанием непреложности этого
факта согласие и кончается. «Естественнонаучная» теория,
эволюции утверждает, что для эволюции наиболее характер-
ны процессы упорядочения, самоорганизации, структуриро-
вания. Как только мы обращаемся к эволюции живого, вен-^
цом которой является человек, то видим, что мы являемся
продуктом эволюции в сторону усложнения материи через
процессы ее самоорганизации. Отрицать самого себя никак
не легче, чем физические законы! Тем не менее трудно игно-
рировать второе начало и сформулированный на его основе
вывод о непрерывной дезорганизации, разрушении структу-,
ры исходной системы, т. е. постепенный переход ее (эволю-
цию) в максимально неупорядоченное состояние с наиболь*.
шей энтропией.

Проблемы глобальной экологии обостряют боязнь эколо*
гической катастрофы и стимулируют интерес к общим про*
блемам бытия и эволюции. Перед человечеством маячат две
перспективы. Одна — это всеобщая деградация и распад су-
ществующих структур. В этом случае, что бы мы ни делали,
человечество обречено на гибель. Все превратится в тлен, и
мы видим, как на фоне подобных воззрений возникают сей*
час многочисленные секты. В другом случае эволюция ведет
ко все более и более сложным структурам. Если это так, то
наша цивилизация — закономерный этап в этой общей эво*
люции, и это дает человечеству принципиальную возмож-
ность длительного существования.

Интересно то, что физическая концепция эволюции на-
чала складываться чуть раньше появления понятия энтро-
пии, с которым эту концепцию связывают теперь. Еще пр]
формулировке второго начала У. Томсон отмечал, что в «mi
териальном мире существует в настоящее время общая те
денция к расточению механической энергии..».. Г. Гелы
гольц, развивая эту мысль, предсказывал Вселенной «тепл
вую смерть», когда вся механическая энергия превратится
теплоту и когда прекратится в ней всякое движение, кро1
беспорядочного. В конечном итоге, Р. Клаузиус ввел в физи-
ческую концепцию эволюции понятие энтропии: энтропия
мира, говорил он, стремится к максимуму.

Конечно, те же самые ученые не могли не видеть воз-
никших здесь трудностей. Гельмгольц высказал сомнения от-
носительно применимости второго начала к живым систе-
мам, а Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу, со-
гласно которой окружающая нас макроскопическая область
Вселенной является гигантской флуктуацией, тогда как Все-
ленная в целом находится в равновесном состоянии. Человек,
по Больцману, потому и имеет возможность наблюдать эту
чрезвычайно маловероятную флуктуацию, что представляет
собой ее порождение. Эта теория, являясь по существу анти-
эволюционной, была тем не менее внутренне непротиворечи-
ва и имела своих сторонников. Сегодня флуктуационная ги-
потеза непопулярна, так как победил эволюционный подход
как таковой.

Некоторые ученые, принимая на веру закон возрастания
энтропии как задающий направление эволюции, просто иг-
норировали обсуждаемую проблему и, перескакивая трудный
для осмысления уровень окружающих нас сложных живых и
неживых систем, часто прилагали второе начало сразу ко
всей Вселенной. В этой связи можно опять сослаться на
Больцмана, который в 1886 г. писал: «Таким образом, второй
закон констатирует непрерывный рост деградации энергии,
пока ... не прекратятся все вцдимые движения во Вселенной.
Все попытки спасти Вселенную от этой тепловой смерти ос-
тались безуспешными».

Даже такой специалист в области математической биоло-
гии, как А. Лотка в «Элементах математической биологии»
1922 г. пишет, что «направление эволюции... есть направле-
ние необратимых преобразований. Для изолированной сис-
темы оно есть направление увеличения энтропии. Закон эво-
люции в этом смысле — второе начало термодинамики».

Возможно разрешение противоречия между вторым на-
чалом и эволюцией за счет их обоих. В этом случае говорят,
что эволюция в сторону усложнения имеет место не всегда и
что, когда она имеет место, второе начало термодинамики
несправедливо. В этой связи обычно говорят о неприменимо-
сти второго начала к живому. Однако никаких эксперимен-
тальных доказательств неприменимости второго начала к
живым системам не существует. Логическое развитие такого
подхода часто приводит к выводу о сосуществовании в при-
роде двух форм эволюции. Одна связана со вторым началом
классической термодинамики и характеризует эволюцию не-
органической материи в изолированной системе, что выра-
жается в необратимом приближении ее к наиболее вероятно-
му состоянию. Это состояние определяется максимальной
неупорядоченностью, т. е. максимальной энтропией и мини-
мумом свободной энергии. Другая форма связана с биологи-
ческой эволюцией.

В отличие от первой, вторая форма эволюции характери-
зуется необратимым возрастанием структурной организации
развивающихся организмов. Последовательное проведение
этой концепции приводит к признанию невозможности воз-
никновения живой материи из неживой и к выводу о парал-
лельном их сосуществовании практически с момента зарож-
дения Вселенной1.

Однако неверно, что структурная самоорганизация свой-
ственна только живому. В неживом мире наблюдаются такие
же процессы усложнения, будь то, скажем, процессы горооб-
разования на Земле или формирования звезд и галактик. Бо-
лее того, термодинамическая энтропия и структурная энтро-
пия, о которых иногда говорят при описании живых сис-
тем, — это несопоставимые величины. В живом организме
тепловая энергия не является источником выполняемой им
работы. Уже в прошлом веке специалисты по физиологии пи-
тания заметили, что организм характеризуется чересчур вы-
соким для тепловой машины КПД, который отвечает нена-
блюдаемому в действительности перепаду температур в не-
сколько сот градусов.

Существенная черта подхода основателей термодинами-
ки состояла в том, что они вкладывали в энтропию исключи-
тельно тепловое содержание, полагая, что рост энтропии не-
пременно означает увеличение общего количества теплоты^
т. е. энергии хаотического движения молекул (отсюда и воз-
никла, наверное, трактовка энтропии как меры беспорядка).:
Между тем рост энтропии в необратимых процессах может
реализовываться самыми разными путями, и понятие энтро-
пия шагнуло далеко за пределы классической термодинами-,
ки. Так, например, в механическом (упорядоченном) движе-
нии воздушных масс в атмосфере могут возникать динами-
ческие структуры, и закон возрастания энтропии не запре-
щает им возникать некомпенсируемым образом из хаотиче-
ского (теплового) движения молекул. Примером могут слу-

1 Такой позиции придерживался, в частности, В.И. Вернадский, опи-
равшийся на принцип Реди.
жить ветер, тайфуны и смерчи, возникающие в результате
неоднородного прогревания атмосферы Земли солнечным
излучением. Аналогичные явления происходят и в водной
среде.

Таким образом, представление о неизбежности «тепловой
смерти» Вселенной базируется на трактовке энтропии как
меры беспорядка, согласно которой рост энтропии означает
исчезновение порядка. Идея Томсона о необратимом «обес-
ценивании» механической энергии, лежащая в основе его
формулировки второго начала, часто теряется в работах со-
временных авторов. Иногда можно встретить трактовку эн-
тропии как меры беспорядка-сложности. Термин «беспоря-
док-сложность» при таком подходе подразумевает совокуп-
ность двух переменных. Первая переменная — «порядок—
беспорядок»— изменяется от полного «порядка» до полного
«беспорядка». Что касается переменной «сложность—просто-
та», то «сложная» система является и упорядоченной, а «про-
стая» — неупорядоченной.

Упомянем еще две группы ученых: «преформистов», со-
гласно которым в ходе развития живого организма (онтоге-
неза) никакого нарастания сложности вообще не происходит,
а имеет место простая передача информации от одного поко-
ления другому через оплодотворенное яйцо без всяких изме-
нений, и «виталистов», полагающих, что порядок возникает
из беспорядка в результате действия неких упорядочиваю-
щих «агентов» нематериальной природы.

Следует помнить о чрезвычайно важном обстоятельстве:
классическая термодинамика неявно базируется на модели
идеального газа. Вряд ли кто будет строить окружающий нас
мир, исходя из модели идеального газа. Более того, всем по-
нятно, что в любой системе необходимо учитывать и различ-
ные взаимодействия, прежде всего электромагнитные и гра-
витационные. Так, например, рассматривая эволюцию Все-
ленной, люди уже давно знали, что равномерное распределе-
ние вещества в пространстве не может быть стационарным.
Вещество должно либо расширяться, либо сжиматься. Со-
стояние равномерного распределения в отсутствие расшире-
ния должно смениться сжатием и затем разбиением среды на
отдельные области, размером порядка критической волны
Джинса (глава 4). Процесс разбиения сопровождается необ-
ратимыми потерями, которые приводят к росту энтропии.

Мы приходим к неожиданному, на первый взгляд, выводу:
состоянию «тепловой смерти» не обязательно соответствует
максимальное значение энтропии. Наоборот, это состояние мо-
жет быть начальным для последующей эволюции гравитирую-
щего вещества, которая вдет (в соответствии со вторым нача-
лом термодинамики) от менее вероятных («малоэнтропийных») к
более вероятным («высокоэнтропийным») состояниям. Из-за на-
личия внешних полей и флуктуаций более вероятно именно со-
стояние материи с развитой структурой (мир, наполненный га-
лактиками), а отнюдь не первозданный хаос. Роль гравитаци-
онных взаимодействий в образовании структурности не явля-
ется каким-то исключением, микроскопические взаимодейст-
вия могут приводить к тем же последствиям. Отсюда возможно
сформулировать три положения:

1.	Состояние с развитой структурой вполне может быть
более вероятно, чем состояние, описываемое равномерным
распределением вещества в пространстве (хаос).

2.	Причиной этого могут являться гравитационные или
другие взаимодействия.

3.	Широко распространенные представления о большей
вероятности равномерного распределения являются следст-
вием неправомерного распространения комбинаторики, свя-
занной с больцмановской формулой, за пределы модели иде-
ального газа.

Эти три положения в значительной степени способство-
вали появлению и развитию характерного для настоящего
времени подхода к эволюции, который развивается под ло-;
зунгом: «порядок из хаоса». Идея, согласно которой порядок,
возникает из хаоса, стара, как мир. Истоки ее можно просле-
дить от Гесиода (VIII-VII вв. до н.э.) и Демокрита (IV-III вв. до
н. э.) до И. Ньютона. Последний писал о том, что развитая
структура имеет большую вероятность, чем хаос, когда объ-
яснял возникновение звезд из равномерно рассеянного по
всему небу вещества Вселенной. Идея И. Ньютона был под-
хвачена И. Кантом и П. Лапласом.	Я

Жизнь постоянно дает нам примеры, подтверждающие
верность этой идеи. Все мы знаем, что при нормальных уело-,
виях атом не распадается на составляющие его элементар-
ные частицы. Это говорит о том, что в данном случае более
сложная структура— атом характеризуется большей вероят-
ностью существования, чем набор элементарных частиц. Мо-.
лекулы сами собой не рассыпаются на атомы. И в этом слу-
чае более сложная структура имеет большую энтропию. Жид-
кость при достаточно низкой температуре сама собой кри-
сталлизуется, т. е. образует более сложную структуру, и т. д.
То обстоятельство, что многие реальные системы могут само-
произвольно образовываться из составляющих их неупорядо-
ченных частей, становится все более очевидным для ученых.

Очень популярным подходом к снятию противоречия
между вторым началом и эволюцией явился подход Э. Шре-
дингера и его модификации.

2.15.	КОНЦЕПЦИЯ ЭВОЛЮЦИИ Э. ШРЕДИНГЕРА

Весьма употребительной является концепция, объясняю-
щая процессы упорядочения в реальных системах потоками
энтропии (беспорядка) из системы в среду. Как правило, она
связывается с именем Э. Шредингера, хотя основные ее идеи
высказывались и раньше в работах других авторов. Позиция
Шредингера состояла в следующем: законы физики — это
статистические законы, и они связаны с естественной тен-
денцией материи переходить к неупорядоченности. В то же
время жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение
материи, основанное как на тенденции переходить от упоря-
доченности к неупорядоченности, так и на существовании
упорядоченности, которая поддерживается все время.

Живая материя избегает перехода к равновесию. Если
неживую систему изолировать или поместить в однородные
условия, всякое движение обычно очень скоро прекраща-
ется, и система в целом угасает, превращается в инертную
массу. Достигается состояние термодинамического равно-
весия (максимальной энтропии). Живой организм кажется
загадочным потому, что избегает быстрого перехода в инерт-
ное состояние равновесия, и поэтому с древнейших времен
человеческая мысль допускала действие в организме особой,
какой-то сверхъестественной силы.

Второе начало термодинамики и его статистическое
обоснование существенны для объяснения эволюции. Живой
организм непрерывно увеличивает свою энтропию (произво-
дит положительную энтропию) и, таким образом, приближа-
ется к опасному состоянию максимальной энтропии, являю-
щемуся смертью данного организма. Он может избежать это-
го состояния, т. е. оставаться живым, только постоянно из-
влекая из окружающей его среды отрицательную энтропию,
которая представляет собой нечто весьма положительное.
Этот каламбур Шредингера является наиболее часто цити-
руемым, и его знают очень многие люди, вообще не знакомые
с термодинамикой: «Отрицательная энтропия — это то, чем
организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадок-
сально, существенно в метаболизме то, что организму удается
освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден
производить, пока жив».

Заметим, что определение энтропии Шредингером и его по-
зиция отражают уровень развития термодинамики к началу
40-х гг. У него энтропия связана со статистической концепцией
упорядоченности, понимается как мера беспорядка и записы-
вается как и выражение (10), где W— количественная мера не-
упорядоченности атомов в рассматриваемом теле, дать точное
объяснение которой в кратких и неспециальных терминах он.
считает затруднительным. Всякий приток теплоты извне уве-
личивает интенсивность теплового движения, т. е. увеличивает
W и таким образом повышает энтропию.

Исходя из чисто популяризаторских целей, он предложил
заменить «неуклюжее выражение отрицательная энтропия на
более изящное: энтропия, взятая с отрицательным знаком,
есть сама по себе мера упорядоченности». Таким образом,
средство, при помощи которого организм поддерживает себя
постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности
(равно на достаточно низком уровне энтропии), это непре-
рывное извлечение упорядоченности из окружающей его
среды. Эта фраза является действительно ключевой в подхо-
де Шредингера.

У высших животных мы достаточно хорошо знаем тот
вид упорядоченности, которым они питаются, а именно:
крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более
или менее сложных органических соединениях служит им
пищей. После использования живые организмы возвращают
эти вещества в очень деградированной форме, однако не
вполне деградированной, так как их еще могут употреблять
растения. (Для растений мощным источником «отрицатель-
ной энтропии»1 является, конечно, солнечный свет.)

Удивительная способность организма концентрировать
на себе «поток порядка», избегая таким образом перехода к
атомному хаосу, — способность «пить упорядоченность» из
подходящей среды, согласно Шредингеру, связана с присут-
ствием «апериодических твердых тел» — хромосомных моле-
кул. Существуют два различных «механизма», которые могут
производить упорядоченные явления: статистический меха-
низм, создающий «порядок из беспорядка» и новый меха-
низм, производящий «порядок из порядка».

1 Отметим, что в своей книге термин «отрицательная энтропия» Шре-
дингер дает в кавычках. Затем в литературе, особенно в русской, появился
термин «негэнтропия» и стал употребляться уже без кавычек.
Что касается термодинамики, то она дала принцип «по-
рядок из беспорядка», которому фактически следует природа
и который дает объяснение огромному множеству природных
явлений и в первую очередь их необратимости. Можно ска-
зать, что основу концепции Шредингера составляют две
идеи.

1.	Живая система отличается от неживой тем, что явля-
ется существенно неравновесной.

2.	Живая система сохраняет неравновесность за счет
среды, черпая в ней необходимую упорядоченность, т. е. не-
гэнтропию.

Если живое, согласно Шредингеру, черпает порядок в
среде, то неживые системы такой способностью, казалось бы,
не обладают. Этот деликатный момент Шредингер обходит
примерно следующим образом. Он говорит, что если в живых
системах определяющим является «порядок из порядка»,
причем порядок как бы черпается из порядка в среде, то не-
живое обязано возникновением порядка принципу «порядок
из беспорядка», которому «в действительности следует при-
рода и который один дает объяснение огромному ряду при-
родных явлений и в первую очередь их необратимости».

Концепция Шредингера получила развитие в трудах мно-
гих ученых, и первой ее модификацией можно считать си-
нергетику. В то же время процессы самоорганизации, опи-
сываемые синергетикой, совсем не являются прерогативой
живых систем. Мы уделим внимание этому направлению по-
сле того, как вкратце рассмотрим неравновесную термоди-
намику.

В значительном количестве работ концепция Шредингера
была модернизирована за счет подключения теории естест-
венного отбора. Этому способствовало развитие синтетиче-
ской теории эволюции (СТЭ), призванной объединить дарви-
низм с генетикой. Естественный отбор в таких работах вы-
ступает как основной механизм биологической эволюции. В
результате борьбы за существование выживают организмы,
наиболее приспособленные к условиям среды. Понятие есте-
ственного отбора, при всей его сложности, представляет со-
бой одно из тех понятий, на которых с самого начала идейно
формируется теория самоорганизации, объединяющая уче-
ние о происхождении жизни с теорией биологической эволю-
ции и теорией эволюции вообще. Среди подобных работ
можно отметить работы, связанные с представлением о так
называемом энтропийном насосе. Согласно этому подходу, в
ходе отбора выживают организмы с меньшим содержанием
энтропии. Сейчас теория СТЭ уже не является абсолютно до
минирующей, так как роль естественного отбора в эволюци:
нельзя считать до конца ясной. Нас же в плане рассмотрени
конттеттии Шредингера в основном интересует частный вс
прос: определяет ли естественный отбор направленность эвс
люции в сторону усложнения (большего порядка)? Известие
что наряду с общей прогрессивной эволюцией в сторону ус
ложнения, называемой ароморфозом, в живом мире наблю
даются как более частные ее формы идиоадаптация (стаби
лизация уровня сложности) и дегенерация (уменьшен»
сложности). Естественный отбор как фактор эволюции несё
полную или частичную ответственность за все эти разны
формы эволюции. Следовательно, сам по себе естественны]
отбор за направление эволюции не отвечает, и подключен»
теории естественного отбора к концепции Э. Шредингера н
помогает установить, чем задается направление эволюции.

Последнюю из рассматриваемых нами модификаци
концепции Шредингера можно сформулировать следующш
образом: дихотомия1 система— среда ускоряет рост энтрс!
пии. Мнимое противоречие между возрастанием сложности :
ходе биологической эволюции и возрастанием энтропии пр:
эволюции изолированной физической системы легко снима
ется, так как в биологии мы имеем дело с открытыми систе
мами, далекими от равновесия.

Для этого варианта концепции Шредингера характерн
представление, согласно которому живые системы благодар
характерной для них дихотомии система— среда ускоряю
суммарный рост энтропии. В качестве подтверждения инс
гда рассматривается пищевая цепь, состоящая из травы
кузнечиков, лягушек, форели и человека. Человеку требуете
для питания ежегодно около 300 форелей; 300 форелей, :
свою очередь, поедают около 30 000 лягушек; лягушка!
нужно 27 млн кузнечиков; кузнечики съедают примерн
1000 т травы. Этот пример призван продемонстрироват
расточительность живой природы в расходовании природ
ных ресурсов. Видно, как на каждом звене трофической цё
почки происходит громадное обесценивание энергии и, сле-
довательно, рост энтропии. Отсюда, в действительности, сл
дует и существенный для экологии вывод: чем больше м
пытаемся «подчинить» себе биосферу, тем большее воздейс

1 Дихотомия— термин в логике (логическая категория), состоящий
разделении некоторого класса на два подкласса, один из которых содерж
определенное свойство или признак, а другой — нет.
вие мы на нее оказываем. Так как мы не можем отменить
первый и второй законы термодинамики, то должны нау-
читься жить с ограничениями, которые они накладывают на
человечество.

Большинство современных модификаций концепции
Шредингера, особенно с уклонами в синергетику, рассматри-
вая разные этапы эволюции материи, приходят к выводу,
что как рождение звезд и галактик, так и появление и разви-
тие жизни на Земле убыстряют рост энтропии. Современная
экологическая ситуация (экологический кризис) рассматри-
вается при этом в рамках «энтропийного» подхода. Согласно
ему, кризис является результатом пренебрежения вторым
началом термодинамики. Современная цивилизация чрезвы-
чайно расточительна в энергетическом отношении, и обесце-
нивание энергии приводит к катастрофическому разруше-
нию окружающей среды. Как было показано в разделе 2.11,
более чем 95% эксергии, необходимой для современного об-
щества, получается сейчас из запасов органического топлива.

Концепция Шредингера с учетом перечисленных выше
модификаций пользуется большой популярностью, хотя и не
отвечает на ряд вопросов. Например, куда же сбрасывают
беспорядок системы, служащие для синергетических систем
средой? Или откуда берется тот порядок, который затем по-
требляется диссипативными структурами? Все это, бесспор-
но, побуждает к дальнейшим исследованиям в этой области.

Другие термодинамические подходы к анализу эволюции
и к экологической проблематике требуют, хотя бы краткого,
рассмотрения термодинамики необратимых процессов, кото-
рая оставалась до сих пор вне поля нашего зрения.
Глава 3

ТЕРМОДИНАМИКА
НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ

3.1.	ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ
В СЛАБО НЕРАВНОВЕСНОЙ ОБЛАСТИ

В предыдущих разделах для нас представляли интерес
только начальное и конечное состояния системы. Временной
аспект перехода был в стороне от наших интересов, а сам
процесс перехода из начального состояния в конечное рас-
сматривался как квазистатический, иди равновесный. Если
оглянуться на развитие науки в последние 70-80 лет, то, на-
верное, наиболее впечатляющие результаты достигнуты в ol
ласти создания новых веществ и материалов, позволивши
создать ядерное оружие, выйти в космос и создать всемир-4
ную телекоммуникационную систему. Термодинамика обра-
тимых процессов способствовала прогрессу в материалове*
дении.

Однако уже в конце этого периода наметились и новые
проблемы. Акцент научных исследований начал перемещать-
ся с изучения веществ на исследования связей и временные
зависимостей между процессами и явлениями. Прогресс нау-
ки привел к более глубокому пониманию сложности и много-
образия окружающего нас мира. Стало совершенно очевид-
но, что необратимые процессы совсем не являются исключе-
нием или досадной помехой, как часто полагали раньше пр»
анализе обратимых процессов. Отличие их от обратимых
процессов начинается с того, что необратимые процессы ха-
рактеризуются вполне определенной временной направлен-
ностью. Жизнь и старение любого живого организма являют г
ся примером необратимых процессов. Если слить спирт и во-
ду, то всем хорошо известно, что со временем они переме-
шаются. Обратный процесс— спонтанное разделение водки
на чистую воду и чистый спирт — никогда не наблюдается.

Наука всегда в определенной степени отвечает потребно-
стям и реалиям своего времени. Поэтому естественно, чтй
такие аспекты жизни последних десятилетий, как неустой-
чивость в социальной области, пестрота мнений, противоре-
чивость интересов, тяжелые аварии и катастрофы, от незна-
чительных, казалось бы, причин привели и к сдвигу центра
тяжести научных интересов в область изучения систем, дале-
ких от равновесия. Ученые осознали важность нелинейных
соотношений, в которых малый сигнал на входе может вы-
звать сколь угодно сильный отклик на выходе.

Начала развиваться термодинамика неравновесных про-
цессов. Стало ясно, что материя — это не пассивная субстан-
ция и ей свойственна спонтанная активность. Довольно не-
ожиданно образовался своеобразный мостик между такими
далекими областями знаний, как общая теория относитель-
ности1 и экология. Достижения первой науки необходимы
для того, чтобы правильно понимать возникновение биосфе-
ры и ее эволюцию.

Развитие термодинамики неравновесных процессов спо-
собствовало прогрессу всеобъемлющей теории эволюции, не-
обходимой ученым, занимавшимся анализом глобальных про-
блем экологии, развитием и эволюцией биосферы. Ученые
поняли, что в окружающей нас природе порядок, стабиль-
ность и равновесие, являвшиеся основным предметом изуче-
ния естествознания прошлого периода, не играют опреде-
ляющей роли. В центре интересов оказались открытые сис-
темы и прежде всего биологические системы и экосистемы. К
числу подобных систем часто относят и социальные системы,
но они настолько сложны, что будут оставаться еще долго вне
области количественного применения естественнонаучных
теорий1 2.

В настоящее время термодинамику часто делят на три
большие области, изучение которых соответствует трем по-
следовательным этапам ее развития:

1.	Термодинамика обратимых процессов изучает равно-
весную область, где производство энтропии (см. выражение

1 Примерно через 10 лет после создания специальной теории относи-
тельности Эйнштейн обобщил ее с учетом наличия гравитации и появилась
общая теория относительности (ОТО). В ее основу был положен принцип эк-
вивалентности: в любой точке поле тяготения можно имитировать введени-
ем ускоренной системы отсчета. Ситуация, когда пространство—время про-
должало оставаться лишь чем-то вроде неподвижной арены, на которой
проявлялись свойства материи, изменилась. ОТО показала, что пространст-
во—время и материя зависят друг от друга и здесь нет вопроса: что первич-
но и что вторично. У пространства—времени есть свои собственные степени
свободы, связанные с возмущениями метрики, — гравитационные волны.

2 Конечно, методы математического анализа являются сегодня неотъем-
лемой частью и этих наук.
(9)), потоки и силы равны нулю1. Если равновесная термоди-
намическая система изолирована, то все характеризующие
ее переменные и потенциалы постоянны во времени. Изме-
няться они мотут, когда система находится в контакте со
средой, с которой она может квазиравновесным образом об-
мениваться различными видами энергии: механической, те-
пловой, химической... Все процессы протекают здесь беско-
нечно медленно.

2.	Слабо неравновесная область, где термодинамические
силы слабы, потоки линейно зависят от сил.

3.	Сильно неравновесная, или нелинейная, область, где в
общем случае потоки являются сложными функциями сил.

Для неравновесных процессов классическая термодина-
мика устанавливает лишь неравенства, которые указывают
возможное направление этих процессов. Поэтому две по-
следние области изучает термодинамика неравновесных
процессов. Иногда ее называют неравновесной термодина-
микой, или термодинамикой необратимых процессов. Но-
вым, по сравнению с классической термодинамикой, здесь
является определение скоростей неравновесных процессов в
зависимости от внешних условий. Если отклонение от термо-
динамического равновесия мало, то неравновесное состояние
можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равно-
весное: температурой, химическими потенциалами компо-
нентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы
значениями, а с зависящими от координат и времени). Сте-
пень неупорядоченности таких систем, как и систем в рав-
новесном состоянии, характеризуется энтропией.

Системы, в которых протекают неравновесные процессы,
рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры
состояния — как полевые переменные, т. е. непрерывные
функции координат и времени. Иными словами, в среде
имеются градиенты температуры, концентраций компонен-
тов, химических потенциалов и т. д., и, следовательно, там
возникают необратимые процессы теплопроводности, диф-
фузии, химические реакции ... которые характеризуются те-
пловыми и диффузионными потоками, скоростями химиче-
ских реакций и т. п. В термодинамике они получили общее
название «потоки» (<Д, а вызывающие их причины — откло-
нения термодинамических параметров от равновесных зна-
чений — термодинамические силы (JQ. Основы термодина-

1 Потоки — это скорости необратимых процессов. Обобщенные силы —
причины, вызывающие потоки.
мики неравновесных процессов при малых отклонениях сис-
темы от термодинамического равновесия, когда возникаю-
щие потоки линейно зависят от термодинамических сил, бы-
ли рассмотрены Л. Онсагером. Исходя из приведенного в
разделе 2.5 выражения для производства энтропии (9) в от-
крытой системе следует, что скорость возникновения энтро-
пии в единице объема в результате необратимых процессов
(например, диффузии или теплопроводности) можно теперь
записать в виде1:

o=EjfX;.	(27)

i

В равновесии для всех необратимых процессов термоди-
намические силы и потоки равны нулю (J, = 0; Хк = 0). Поэто-
му вблизи него потоки Ji можно разложить в ряд по степеням
Хк. Первый член такого разложения отвечает равновесию i
тождественно равен нулю. Ограничиваясь приближением
первого порядка, получаем соотношения

Ji = S LfcXk,
к

A-SVo	(28)

к

где Lik — коэффициенты Онсагера (кинетические (феномено-
логические) коэффициенты, или коэффициенты переноса),
которые определяют вклад различных термодинамических
сил Хк в создание потока Jf. Матрица Rik является обратной
по отношению к Соотношения (28), называемые соотно-
шениями Онсагера, — главные в его теории, которая, как
видим, действительно линейна и работает только вблизи рав-
новесия.

Диагональные коэффициенты матрицы ||Lifc|| называют
собственными коэффициентами, и они могут соответство-
вать, например, теплопроводности, электропроводности или
коэффициенту химического сопротивления. Недиагональные
коэффициенты называются коэффициентами взаимно-
сти; они описывают интерференцию между необратимыми
процессами i и к. Значения рассчитывают или находит
опытным путем. Термодинамические потоки и силы могут

1 о является билинейной формой обобщенных сил X, и потоков необ-
ратимых процессов.
быть скалярами (например, в случае объемной вязкости),
векторами (при теплопроводности, диффузии) и тензорами
(при сдвиговой вязкости).

В прямых процессах термодинамическая сила Хк вызы-
вает поток Jk. Например, в случае теплопроводности гради-
ент температуры вызывает поток теплоты, в случае диффу-
зии градиент концентрации — поток вещества, а в случае
электропроводности электрическое поле — электрический
ток. В этих случаях кинетические коэффициенты (коэффи-
циенты переноса) соответственно пропорциональны коэф-
фициентам теплопроводности, диффузии и электропровод-
ности. Помимо прямых процессов встречаются и перекрест-
ные, когда термодинамическая сила Хк вызывает поток J, при
i * к. Например, градиент температуры может вызывать по-
ток вещества в многокомпонентных системах (термодиффу-
зия, или эффект Соре), а градиент концентрации — поток
теплоты (эффект Дюфура).

Сами по себе соотношения Л. Онсагера представляют со-
бой просто обобщение феноменологических уравнений пере-
носа вещества. Линейность — не открытие Онсагера, это
просто приближение первого порядка, в котором написаны
уравнения переноса и в котором часто работают физики. Его
достижением явилось соотношение взаимности:

(29)

— открытие, которое, согласно Пригожину, «по праву может
считаться поворотным пунктом в истории термодинамики»1.
Это соотношение — не феноменологическое, установив его,
термодинамика впервые обнаружила что-то новое в области
необратимых процессов, опередив эксперимент. Оно впер-
вые показало, что предмет термодинамики необратимых
процессов заслуживает внимания ничуть не меньше, чем
предмет традиционной равновесной термодинамики. Суть
соотношений взаимности в следующем: если сила «один» (на-

1 Онсагер доказал теорему, согласно которой:

Д к =	(1* X).

Соотношения взаимности Онсагера выражают то свойство, что если на
поток «Л, соответствующий необратимому процессу i, влияет сила Хк необра-
тимого процесса к, то на поток Jk сила X влияет посредством того же ин-
терференционного коэффициента 1^. Поэтому антисимметричной частью
матрицы можно пренебречь. Это свойство дополняет второй закон
термодинамики; как следует из (27), производство энтропии не может дать
никакой информации об антисимметричной части матрицы.
пример, градиент температуры) для слабо неравновесных си-
туаций воздействует на поток «два» (например, на диффу-
зию), то сила «два» (градиент концентрации) воздействует на
поток «один» (поток теплоты).

Соотношение взаимности неоднократно подвергалось
экспериментальной проверке. Например, всякий раз, когда
градиент температуры индуцирует диффузию вещества, мы
обнаруживаем, что градиент концентрации вызывает поток
теплоты через систему. Соотношение взаимности носит об-
щий характер и выполняется независимо от допущений от-
носительно агрегатного состояния вещества.

Другим важным результатом линейной неравновесной
термодинамики является теорема о минимуме производства
энтропии, сформулированная и доказанная И. Пригожиным
в 1945 г. Здесь рассматривается более важная в практиче-
ском отношении ситуация: не равновесное, а стационарное
состояние. Рассмотрим два примера, когда граничные услог
вия, наложенные на систему, не позволяют ей достичь рав-
новесия. Пусть система состоит из двух сосудов, каждый из
которых находится в равновесном состоянии, и они соедине-
ны капилляром или мембраной, а между ними поддержива-
ется постоянная разность температур. В такой системе име-
ются две силы Xi и Xz , соответствующие разности темпера-
тур и химических потенциалов между двумя сосудами и со-
ответствующие им потоки Ji и J2. Система достигает состоя-
ния, в котором перенос вещества J2 исчезает, но остаются
перенос энергии между фазами при различных температурах
и производство энтропии. Параметры, характеризующие со-
стояние, асимптотически стремятся к независимым от вре-
мени величинам. В этом случае достигается стационарное
неравновесное состояние или просто стационарное состоя-
ние. В стационарном состоянии между двумя сосудами под-
держивается так называемый термомолекулярный перепад
давлений.

Другой пример стационарного состояния рассмотрим с
помощью системы, где компонент А поступает из внешней
среды и через ряд промежуточных соединений преобразуется
в продукт В, который снова возвращается во внешнюю сре-
ду. Стационарное состояние возникает, если концентрации
промежуточных соединений не изменяются во времени. Ус-
ловия существования стационарного состояния определяют-
ся соотношениями между скоростями реакций процессов,
ответственных за образование или разложение промежуточ-
ных соединений.
Легко показать, что если стационарные состояния возни-
кают достаточно близко к равновесию, то к ним можно при-
менить экстремальный принцип, согласно которому произ-
водство энтропии достигает минимального значения в ста-
ционарном состоянии, совместимом с заданными условиями
(ограничениями), которые определяются характером задачи.
В нашем первом примере (термодиффузия, или термомолеку-
лярный перепад давлений) ограничению соответствует раз-
ность температур между двумя сосудами. Во втором примере
ограничением могут служить концентрации исходного ком-
понента А и конечного продукта В во внешней среде.

Итак, пусть у нас имеется близкая к равновесию откры-
тая система, для описания которой можно использовать ли-
нейную термодинамику. Согласно теореме Пригожина, если
заданные граничные условия, фиксируемые значениями
термодинамических сил, не дают системе достичь равнове-
сия с его нулевым производством энтропии, то система пере-
ходит в стационарное состояние, минимизирующее произ-
водство энтропии при данных значениях этих сил. При ее
выводе были использованы соотношения взаимности, без ко-
торых теорема Пригожина была бы несправедливой.

Состояние, к которому эволюционирует система, являет-
ся неравновесным и, следовательно, там происходят процес-
сы рассеяния (энтропия непрерывно производится). Но так
как это состояние стационарно, то все величины, описы-
вающие систему, не зависят от времени. Следовательно, из-
менение энтропии во времени становится равным нулю:
dS = 0. Из раздела 2.6 мы знаем, что это возможно только в
том случае, когда deS = -diS < 0, т. е. приток теплоты или
вещества из окружающей среды дают такой вклад в
изменение энтропии deS, который компенсируется
производством энтропии diS из-за необратимых процессов
внутри системы. То, что deS < 0, означает, что система
поставляет энтропию внешнему миру (процессы,
происходящие в системе, увеличивают энтропию внешней
средффрема о минимуме производства энтропии утверждает
не только то, что в стационарном состоянии активность сис-
темы непрерывно увеличивает энтропию окружающей сре-
ды, а нечто большее: выделенное стационарное состояние, к
которому стремится система, отличается тем, что в нем пе-
ренос энтропии в окружающую среду настолько мал, на-
сколько это позволяют наложенные на систему граничные
условия.
При таком подходе равновесное состояние соответствует
тому частному случаю, когда граничные условия допускают
исчезающе малое производство энтропии. Можно сказать,
что теорема о минимуме производства энтропии выражает
своеобразную «инерцию» системь?: когда граничные условия
мешают системе перейти в состояние равновесия, она делает
лучшее из того, что ей остается, — переходит в состояние,
которое настолько близко к состоянию равновесия, насколько
это позволяют обстоятельства.

По выражению Пригожина, термодинамика слабо нерав-
новесных систем также вводит свой термодинамический по-
тенциал, которым является само производство энтропии Р, и
линейная термодинамика описывает стабильное, предсказуе-
мое поведение систем, стремящихся к минимальному уровню
активности, совместимому с питающими их потоками. Так как
формализм потенциалов действует и здесь, то как при эволю-
ции к равновесию, так и при эволюции к стационарному со-
стоянию система «забывает» начальные условия. Реакция сис-
темы на любое изменение граничных условий становится пред-
сказуемой, так как независимо от начальных условий система
рано или поздно перейдет в состояние, определяемое гранич-
ными условиями.

Линейная неравновесная термодинамика позволяет опи-
сывать равновесные структуры, возникающие в результате
обратимых процессов, т. е. описывать стабильное, предска-
зуемое поведение систем, стремящихся к минимальному
уровню активности, совместимому с питающими их потока-
ми. Двумя ее основными положениями явились соотношения
взаимности Онсагера и теорема о минимуме производства
энтропии. Теорема о минимуме производства энтропии при-
ложима ко всем неравновесным стационарным состояниям
независимо от природы действующих сил, однако эта общ-
ность сильно ограничена тем, что теорема справедлива лишь
в области линейной термодинамики необратимых процессов.

При переходе от равновесных условий к сильно неравно-
весным мы переходим от повторяющегося и общего к уни-
кальному и специфичному. Если поведению материи вблизи
состояния равновесия свойственна повторяемость, то вдали
от равновесия начинают действовать различные механизмы,
соответствующие возможности возникновения диссипатив-
ных структур различных типов.
3.2.	ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ
В СИЛЬНО НЕРАВНОВЕСНОЙ ОБЛАСТИ.

РАБОТЫ ШКОЛЫ И. ПРИГОЖИНА

В рамках линейной неравновесной термодинамики нель-
зя говорить о новых структурах. В линейной области мы име-

ем дело с одними и теми же равновесными структурами, но
модифицированными внешними воздействиями, которые не

позволяют системе достичь состояния равновесия и поддер-

живают ее в стационарном состоянии. Совсем другая ситуа-

ция складывается вдали от равновесия, где, вообще говоря,

не существует термодинамического потенциала, экстремаль-
ность которого определяла бы поведение системы в нелиней-
ной области (аналогично производству энтропии для слабо
неравновесных состояний). Развитие термодинамики при-
мерно до 60-х гг. практически ограничивалось областью яв-
лений, близких к равновесным, и к настоящему времени этот
раздел термодинамики необратимых процессов стал класси-

ческим.

На повестке дня последних десятилетий оказалась проблема
обобщения методов термодинамики для исследования всего
круга явлений, начиная с равновесия и кончая нелинейными
эффектами и неустойчивостью. Поэтому достаточно естествен-
ными явились попытки обобщения теории Онсагера за преде-
лами линейных явлений. Определенные результаты здесь были
достигнуты Брюссельской школой термодинамики, взявшей
курс на изучение устойчивости стационарных неравновесных
состояний, характерных для живых систем. При этом было оп-
ределено понятие диссипативной структуры, активно исполь-
зуемое сегодня в синергетике. Количественной термодинамиче-
ской теории, которая бы позволила описать временную эволю-
цию необратимых процессов, на этом пути выработать пока не
удалось, однако много полезного было достигнуто.

И. Пригожин с соавторами выдвинул гипотезу о «локаль-
ном равновесии»1. Согласно этой гипотезе обобщение воз-

1 Систему представляют как состоящую из элементарных объемов (эле-
ментов среды), которые все же настолько велики, что содержат очень боль-
шое число частиц. Состояние каждого выделенного элемента среды характе-
ризуется термодинамическими параметрами, зависящими от координат и
времени. Количественное описание неравновесных процессов при таком
подходе заключается в составлении уравнений баланса для элементарных
объемов на основе законов сохранения массы, импульса и энергии, а также
уравнения баланса энтропии и феноменологических уравнений рассматри-
ваемых процессов, выражающих потоки массы, импульса и энергии через
градиенты термодинамических параметров.
можно для целого класса явлений, при описании которых ло-
кальная энтропия может быть выражена через те же самые
переменные, что и для системы, находящейся в равновесии.
В основе этого подхода лежит вполне разумное утверждение,
что благодаря столкновениям частиц имеется тенденция к
восстановлению термодинамического равновесия, т. е. функ-
ция распределения молекул по скоростям и относительным
расстояниям в любой момент времени не может сильно от-
клоняться от своей равновесной формы. Это довольно жест-
кое условие, вероятно, является достаточным для приложе-
ния термодинамических методов. Проблемы, исследованные
разными методами, в рамках такого подхода решаются еди-
ным образом, и ряд задач классической равновесной термо-
динамики получает естественное решение.

Предположение о локальном равновесии не противоречит
тому факту, что система в целом неравновесна, а означает
только то, что процессы рассеяния настолько интенсивны, что
исключаются большие отклонения от статистического равнове-
сия. Это и соответствует тому, что механизм рассеяния энергии
внутри малых областей, возвращающий их в равновесное со-
стояние, можно описать просто с помощ ью процессов столкно-
вения атомов или молекул, а число этих столкновений доста-
точно велико, чтобы компенсировать влияние приложенных
градиентов или химического сродства. Все это справедливо для
жидкостей, твердых тел и не слишком разреженных газов. На-
пример, расширение газа в трубке представляет собой нерав-
новесный процесс. Однако в каждой точке соотношение между
температурой, давлением и плотностью выражается тем же за-
коном pV = RT, что и при равновесии.

В качестве рабочей гипотезы можно предположить, что
если термодинамика слабо неравновесных систем имеет свой
термодинамический потенциал, которым является производ-
ство энтропии Р = diS/dt, то в случае сильно неравновесных
систем подобной функцией могла бы быть вторая производ-
ная энтропии по времени. К сожалению, оказалось, что про-
изводная dP/dt не обладает какими-либо особыми свойства-
ми, так как мы находимся теперь за пределами применимо-
сти линейных законов и соотношений Онсагера. Однако ве-
личина dPx/dt, где X — термодинамическая сила,
удовлетворяет неравенству общего характера, которое
Брюссельская школа предложила рассматривать как
обобщение теоремы о минимуме производства энтропии:

dPx/dt * О.	(30)
Это неравенство имеет столь же общий характер, как и
сама локальная термодинамика, знак равенства же соответ-
ствует стационарному состоянию. Здесь имеет место пре-
дельный переход, т. е. в линейной области это неравенство
переходит в теорему о минимуме производства энтропии. В
силу его общности соотношение (30) было названо И. Приго-
жиным универсальным критерием эволюции.

Остановимся на этом критерии несколько подробнее.
Дифференциал d^P является величиной второго порядка от-
носительно отклонений потоков и сил от их стационарных
значений, и его можно представить в виде:

dxPs dx8P = f d8Jk ddXk .... * 0.	(31)

Для дальнейшего оказывается удобным ввести функцио-
нал:

dxPsidV'ZkdJkdXk,
который авторы назвали «избыточным производством энтро-
пии». С учетом этого выражение (31) можно записать в виде:

dxP = d (8ХР/ 2) + Q {Ikk, 8Хк} s 0.	(32)

Таким образом, d^P был бы дифференциалом функционала
состояния 8ХР, если бы функционал Q {1кк, 8Хк}, зависящий от
антисимметричной части матрицы коэффициентов1, связы-
вающих термодинамические потоки и силы, обратился в нуль.
Тогда ситуация была бы такой же, как и в линейной области,
где вследствие теоремы о минимальном производстве энтропии
дифференциал величины Р имеет определенный знак (а именно
dP/dt < 0 вдали от стационарного состояния и dP/dt = 0 в ста-
ционарном состоянии). Более того, непосредственное использо-
вание соображений о минимальном производстве энтропии по-
зволило бы установить асимптотическую устойчивость стацио-
нарных неравновесных состояний, поскольку 8ХР положитель-
но: 8ХР % 0. Так как в общем случае член с антисимметричной
частью не исчезает, то возникает задача об устойчивости ста-
ционарных состояний вдали от равновесия. Соответствующий
математический аппарат достаточно развит, однако он находит-
ся вдали от рассматриваемой в этом учебнике проблематики.

Мы должны иметь в виду, что изложенные выше сообра-
жения относились к случаю, когда в качестве стандартного

1 Напомним, что вблизи равновесия антисимметричная часть не дает
вклада в производство энтропии.
было выбрано стационарное состояние. Эволюция системы
вблизи изменяющихся во времени состояний также рассмот-
рена в работах Брюссельской школы. В обоих случаях поня-
тие — производство избыточной энтропии — является фун-
даментальным для развиваемой И. Пригожиным теории. Все-
гда, когда 8ХР £ 0, система устойчива.

В предельном состоянии, соответствующем переходу ме-
жду устойчивостью и неустойчивостью, производство избы-
точной энтропии исчезает. Таким образом, физический
смысл неустойчивости может быть изучен с большей общно-
стью (до тех пор, пока возмущенное и невозмущенное со-
стояния могут быть описаны макроскопически). Поскольку
получается достаточно общее неравенство, справедливое для
любого изменения состояния макроскопической системы при
фиксированных граничных условиях, то авторы и назвали
его универсальным критерием эволюции.

Как мы видим, обычно этот критерий возникает в форме
неполного дифференциала, а это означает, что не существует
термодинамического потенциала, который может быть в клас-
сическом смысле связан с этим критерием. Однако этот крите-
рий был использован Брюссельской школой для обобщения по-
нятия «термодинамический потенциал», и в термодинамике по-
явился термин «локальный потенциал». Главная особенность
метода локального потенциала состоит в том, что каждая неиз-
вестная функция (например, распределение температуры в не-
линейной задаче теплопроводности) появляется дважды: один
раз — как среднее значение, другой раз — как флуктуирующая
величина.

Важная роль, которую играет в критерии эволюции избы-
точное производство энтропии, предполагает возможность изу-
чения устойчивости неравновесных состояний на основе урав-
нения баланса избыточного производства энтропии. Отклоне-
ния энтропии и ее производства от их стационарных значений
могут возникать вследствие либо внешних возмущений, либо
случайных внутренних флуктуаций, вызывающих отклонение
локальных переменных от их стационарных значений. Считая,
что отклонения этих переменных остаются малыми, можно за-
писать следующие разложения величин AS и ДР:

AS = 8S + */□ 82S + ...,	ДР = dP + */2 82Р + ....

• где 8Р = 8ХР = избыточное производство энтропии.

Существенно то, что во всей области применимости ло-
кальной термодинамики квадратичная форма 82S имеет ту
же структуру, что и в случае равновесия, поэтому она явля-
ется отрицательно определенной величиной d2S s 0.

Если вычислять производную избытка энтропии d2S по
времени, имея в качестве граничных условий постоянные
потоки или постоянные концентрации, то мы получаем:

d/dt (¥2 52S) = избыточное производство энтропии = дхР. (33)

Для анализа полученных результатов вспомним о слабо
неравновесной области и выберем в качестве стандартно-
го — равновесное состояние. Тогда

d/dt (¥2 d2S) = f ovdV= PiO.

Используя соображения, связанные с теоремой о мини-
мальном производстве энтропии, можно показать, что при
t—> оо система стремится к стандартному состоянию. Таким
образом, мы получили, что равновесное состояние асимпто-
тически устойчиво по отношению к слабым возмущениям,
как это уже было отмечено в предыдущем параграфе. Такое
состояние характеризуется отсутствием пространственной
или временной упорядоченности. Следовательно, из только
что полученного результата вытекает, что такая неупорядо-
ченность будет иметь место до тех пор, пока отклонение сис-
темы от равновесия обусловлено лишь флуктуациями или
случайными возмущениями.

Пусть у нас имеется теперь процесс, вызывающий систе-
матическое отклонение от равновесия — увеличение некото-
рого параметра Л, характеризующего состояние системы или
связи, наложенные на нее окружающей средой (например,
градиент концентрации на границах). Если мы недалеки от
равновесного состояния, то, согласно теореме о минимальном
производстве энтропии, близкие к равновесию стационарные
состояния асимптотически устойчивы. В силу непрерывности
эта группа состояний, которую авторы предлагают называть
термодинамической ветвью1, простирается и далее, но в ко-
нечной окрестности равновесного состояния.

1 Выражение термодинамическая ветвь понадобилось авторам и при
изучении химических реакций. Скорость химических реакций обычно явля-
ется нелинейной функцией переменных, например концентрации или тем-
пературы. В результате этого химически реагирующая смесь описывается
нелинейными уравнениями, которые могут иметь несколько решений даже с
учетом граничных и начальных условий. Пусть имеется решение, соответст-
вующее равновесным условиям, которые сводятся к требованию макси-
мальности энтропии для изолированных систем или минимуму свободной
энергии системы при фиксированных температуре и объеме. Это решение
После достижения некоторого критического значения Лег
нельзя исключить возможность того, что термодинамическая
ветвь станет неустойчивой. В этом случае ничтожно малое
возмущение уводит систему с термодинамической ветви, и
естественным параметром становится удаленность системы
от термодинамического равновесия. Малые возмущения в
окружающей среде или спонтанно возникающие флуктуации
могут вывести систему из ее основного состояния и перевес-
ти ее в новый режим. Такой переход напоминает раздвоение
(бифуркацию), когда начальный режим становится неста-
бильным, он заменяется не новым (уникальным) режимом, но
множеством стабильных режимов, которые доступны одно-
временно и равновероятно (рис. 15)1.

Рис. 15. Представление бифуркаций в точках Х = Х1ИХ = Х2И
возникновение новых ветвей решений

Ничто в начальном поведении системы не может нам
сказать, какой из возможных режимов будет в действитель-
ности выбран. Только случай определяет, какой конкретно
ветви развития будет дальше следовать наша система. Мо-
жет оказаться, что новый устойчивый режим, устанавли-
вающийся в такой системе, также будет соответствовать
упорядоченному состоянию.

авторы называют «термодинамической ветвью». Допустим, что внешнее воз-
действие изменяется так, что система все более удаляется от равновесия.
Разработанная Брюссельской школой неравновесная термодинамика позво-
ляет сформулировать достаточное условие устойчивости термодинамической
ветви.

1 Цель теории бифуркаций — изучение возможного ветвления решений,
возникающего при определенных условиях. Теория катастроф, развитая
Р. Тома, дала первую классификацию возможных типов бифуркаций.
Итак, вблизи равновесия положительность величины 8
является непосредственным следствием второго закона. О
нако вдали от равновесия производная по времени величиг
(У2 52S), равная избыточному производству энтропии 8ХР, 1
обязательно положительна.

Из уравнения (33) следует, что неравновесное стационара
ное состояние становится неустойчивым, как только избьр
точное производство энтропии 8ХР становится (и остается)
отрицательным, начиная с какого-то момента времени fo:

8ХР < 0 при t £ tb (неустойчивое стандартное состояние), -)
8ХР > О при 12 to (асимптотически устойчивое стандартное^
состояние).	(34)

Для данной системы значение дхР можно изменить путем
изменения параметров X, служащих мерой удаленности от
равновесия. По достижении критического значения Лег знак
неравенства в (34) обращается, и стандартное состояние те-
ряет устойчивость. Такую критическую ситуацию авторы наг
звали состоянием с нейтральной устойчивостью:

8ХР (Лег) = О при t £ to (нейтральная устойчивость).

Введение понятия «избыточное производство энтропии»
позволяет найти внешние условия, при которых возникает
неустойчивость термодинамической ветви.

Авторы установили, что как удаленность от равновесия,
так и нелинейность могут служить причиной возникновения'
упорядоченности в системе. Между упорядоченностью, ус-
тойчивостью и диссипацией возникает интересная связь
Чтобы более четко ее обозначить, упорядоченные конфигура-
ции, появляющиеся вне области устойчивости термодинами
ческой ветви, авторы назвали диссипативными структурами':

Таким образом, вдали от равновесия система может эвб
люционировать к некоторому стационарному состоянию, г»
для этого состояния в общем случае уже не удается построит:
термодинамический потенциал. Не имея исчерпывающе:
теории, можно высказать тем не менее некоторое общее за
ключение: если система может отклоняться от того типа уп<
рядочения, который следует из равновесного состояния, i
она должна быть сильно неравновесной. Если возможна hi
устойчивость, то нужно указать расстояние от равновесия, г
которым флуктуации могут приводить к новому режиму, О'
личному от «нормального» устойчивого поведения, характер-
ного для равновесных или слабо неравновесных систем.
Роль флуктуаций в термодинамике неравновесных про-
цессов изучается особенно интенсивно в последние десятиле-
тия. Так как рассматриваемые системы состоят из огромного
числа элементов (например, молекул в жидкости, клеток в
организме или нейронов в мозге), то очевидно, что все эти
элементы не могут находиться в одинаковом состоянии. Сле-
довательно, в таких системах возникает случайный «шум»,
напоминающий возмущения в теории устойчивости, причем
эти возмущения генерируются самой системой (кроме них
имеются еще флуктуации, связанные с внешней средой).

По-видимому, флуктуации играют особо важную роль
вблизи точек бифуркации, где система должна как бы выби-
рать одну из возможных устойчивых ветвей, соответствую-
щих уравнениям, но из самих уравнений не следует предпоч-
тительность той или иной ветви. Это приводит к неизбежно-
сти учета случайных факторов, т. е. возникает необходи-
мость более тонкого описания, включающего флуктуации.

Так как здесь приходится рассматривать нелинейные
уравнения, описывающие химические реакции, то вероятности
перехода становятся нелинейными функциями флуктуирую-
щих переменных (в отличие от стандартных методов, где веро-
ятности перехода постоянны или являются линейными функ-
циями случайных переменных). Теория равновесных флуктуа-
ций хорошо разработана, и она используется, например, при
выводе больцмановского определения энтропии. Этот же ре-
зультат остается справедливым и в неравновесных случаях для
линейных уравнений, описывающих химические реакции. Од-
нако в нелинейных случаях вся картина изменяется. Здесь уже
распределение вероятностей флуктуаций зависит как от их ве-
личины и масштаба, так и от макроскопических условий, в ко-
торых находится система. В области малых масштабов дейст-
вительно получается почти пуассоновское распределение, но с
увеличением масштаба распределение отклоняется от пуассо-
новского. Это отклонение становится особенно интересным
вблизи точки бифуркации, где появляются длинноволновые
пространственные корреляции. При этом возникает аналогия
между неустойчивостью неравновесного происхождения и фа-
зовыми переходами. Существуют целые классы нелинейных
явлений, не сопровождающихся фазовыми переходами, при-
чем в этих явлениях флуктуации могут играть очень большую
роль. Например, во взрывных явлениях, возникающих при
распространении свободных радикалов, условие реализации
взрыва может впервые выполниться в макроскопически малой
области, хотя и содержащей большое число молекул.
Вне области устойчивости случайные флуктуации увеличи-
ваются во времени, в результате чего средние значения изме-
няются макроскопически заметным образом, и вступает в игру
принцип упорядоченности через флуктуации. В таких процес-
сах как бы имеет место нарушение «закона больших чисел». Как
известно, если этот закон выполняется, то адекватное описание
системы дается на языке средних значений. Здесь же, наобо-
рот, флуктуации управляют средними значениями.

Неустойчивости системы по отношению к термодинамиче-
ской ветви способствует наличие в системе соответствующей
обратной связи. Появляющиеся при этом диссипативные
структуры радикально отличаются от равновесных структур,
изучаемых классической термодинамикой, и могут существо-
вать вдали от равновесия лишь за счет достаточно большого
потока энергии и вещества1. Диссипативные структуры являют
собой пример, демонстрирующий способность неравновесности
служить источником упорядоченности. Они распадаются, как
только прекращается приток к ним энергии или вещества. Все
они возникают из хаоса и вновь обращаются в него.

Как пишет И. Пригожин, за отправную точку для идей,
выдвинутых Брюссельской школой, можно взять следующий
пример из термодиффузии. Если на смесь двух различных
газов наложить градиент температуры, то один из газов кон-
центрируется вблизи горячей стенки, а второй — вблизи хо-
лодной. В результате энтропия смеси становится ниже, чем в
том случае, когда смесь была бы однородной. Следовательно,
здесь мы имеем ситуацию, когда неравновесность может
служить источником упорядоченности.

Одной из первых изученных структур подобного типа
была ячеистая структура, образующаяся в жидкости при на-
личии конвекции между двумя горизонтальными плоскостя-
ми, нижняя из которых нагрета сильнее, чем верхняя. Пока
разность температур двух плоскостей мала, движущиеся час-
тицы жидкости распределены хаотически, и теплота перено-
сится через жидкость за счет процесса теплопроводности.
Однако когда разность температур становится достаточно
большой, возникает неустойчивость Бенара — спонтанно
возникают конвективные ячейки с регулярным течением, и
жидкость обнаруживает структуру. Такое течение соответст-
вует высокой степени молекулярной организации, причем

1 В качестве примера можно привести город, существующий до тех
пор, пока он является потребителем пищи, топлива и других предметов и
производителем различной продукции и отходов.
оно возможно лишь за счет переноса энергии от теплового
движения к макроскопическому конвективному движению.
Можно сказать, что диссипативная структура отвечает здесь
некоторой форме супермолекулярной организации. В начале
этой главы мы уже отмечали, что в классической термодина-
мике тепловой поток считался источником потерь. В ячейке
Бенара тепловой поток становится источником порядка.

Необходимо сделать два важных замечания. Во-первых,
при формировании такой структуры скорость производства
энтропии возрастает, поскольку энергия рассеивается быст-
рее при переходе от нагревателя — нижней плоскости к хо-
лодильнику— верхней плоскости. Во-вторых, наряду с воз-
растанием скорости производства энтропии на месте, где
была лишь локальная структура, образуется превосходящая
ее глобальная структура. Как только необходимая разность
температур исчезает, глобальная структура вновь переходит
в локальную, и ячейки конвекции перестают существовать.

В отличие от равновесных структур, к диссипативным
структурам больцмановский принцип упорядоченности не-
применим. Так, в случае бенаровской неустойчивости, со-
гласно принципу Больцмана, вероятность возникновения ко-
герентного движения более чем 1020 молекул практически
равна нулю. Поэтому бенаровскую неустойчивость можно
объяснить лишь в рамках принципиально нового подхода.

Например, можно представить, что всегда имеющие ме-
сто конвективные потоки флуктуационного происхождения
ниже некоторого критического значения градиента темпера-
туры уменьшаются по амплитуде и исчезают. Если затем
градиент температуры начинает расти и превышает крити-
ческое значение, то некоторые флуктуации усиливаются и
приводят к макроскопическому потоку. Возникает новый
молекулярный порядок, в принципе соответствующий мак-
роскопической флуктуации, стабилизированной за счет об-
мена энергией с внешней средой. Этот порядок представляет
собой диссипативную структуру. С тем чтобы подчеркнуть
отличие этого эффекта от больцмановского принципа упоря-
доченности, играющего фундаментальную роль в понимании
природы равновесных структур, он был назван «упорядочен-
ностью через флуктуации».

Диссипативные структуры хорошо известны и в химии. Их
.образование обусловлено тем, что некоторые химические реак-
ции приводят к периодическим изменениям концентраций
реагирующих веществ, причем эти изменения могут происхо-
дить как во времени, так и в пространстве. При изменении во
времени одно вещество сменяется другим, потом вновь восста-
навливается, но лишь затем, чтобы в очередной раз исчезнуть.
При пространственных перемещениях веществ в сосуде, где
происходит реакция, образуются области, содержащие различ-
ные вещества. Подобные процессы, по существу, лежат в осно-
ве явления жизни. Например, биение сердца является перио-
дическим во времени процессом, который поддерживается це-
лым комплексом осциллирующих химических реакций. К реак-
циям, обладающим периодичностью в пространстве, относится
возникновение клеточной структуры тела (морфогенез). Полоса-
тая раскраска зебр и некоторых представителей семейства ко-
шачьих напоминает картины стратификации, возникающие в
ходе некоторых химических реакций, когда участвующие в них
вещества диффундируют по всей среде.

Известны интересные аналогии между концентрациями
реагирующих веществ и продуктов реакции, с одной сторо-
ны, и численностью популяций различных видов животных в
какой-либо экологической системе, с другой1. При этом одно
из веществ в реакции можно рассматривать как «добычу»
(или «жертву») для другого вещества— «хищника». Тогда со-
ответственно увеличение и уменьшение концентраций этих
веществ аналогичны росту и падению численности конкури-
рующих популяций животных.

На знамени Брюссельской школы, помимо терминов
«теория бифуркаций», «диссипативные структуры», «локаль-
ное равновесие», «универсальный критерий эволюции» и «из-
быточное производство энтропии», а точнее, перед ними, на-
писано — «порядок из хаоса, необратимость и самоорганиза-
ция». Это не только призывы но и, действительно, актуаль-
нейшие проблемы, стоящие перед современной наукой. По-
этому перед тем, как продолжить рассмотрение приложений
термодинамики к экологической проблематике, и прежде
всего к эволюционной тематике, мы сделаем последний экс-
курс в теорию и познакомимся с современными представле-
ниями о том, что же такое необратимость и связанные с ней
в определенной мере порядок и хаос.

3.3.	НЕОБРАТИМОСТЬ, ПОРЯДОК И ХАОС

Впервые о проблеме необратимости упоминается в пись-
ме Дж.К. Максвелла его коллеге П. Тэту от 11 декабря 1867 г.,

1 Подобные аналогии основаны на сходстве описывающих эти явления
систем математических уравнений.
т. е. тогда, когда второе начало термодинамики было уже из-
вестно. Обсуждая мысленный эксперимент с разделением
молекул по скоростям, он пишет: «Эти микроскопические су-
щества, открывая и закрывая невесомую заслонку, соеди-
няющую два сосуда с газом, пропускают в одну сторону бо-
лее быстрые молекулы и добиваются тем самым нарушения
второго начала термодинамики». Отсюда пошло выраже-
ние — «демоны Максвелла».

Как мы знаем, обоснование законов термодинамики и их
связь с законами движения отдельных частиц, из которых
состоят термодинамические системы, дается статистической
физикой. К сожалению, современная статистическая теория
необратимых процессов не содержит собственно физики не-
обратимости, связанной с превращением механической
энергии в немеханическую. В настоящее время сущность
проблемы необратимости можно сформулировать следующим
образом: мир физики обратим, тогда как реальные процессы
необратимы.1 Проблема необратимости привлекательна в на-
учном плане, так как мы уже знаем две области, где гамиль-
тонова механика не применима: это область больших скоро-
стей (где действует теория относительности) и область мик-
ромира (находящаяся в сфере квантовой механики).

Во всех рассмотренных нами примерах, связанных с га-
зами, предполагалось, что частицы упругие и механическая
энергия газа сохраняется, так что необратимым процессам
взяться неоткуда. Необратимым поведение газа во времени
делает неупругость составляющих его частиц. Чем более не-
упруги будут частицы, тем быстрее механическая энергия
будет переходить в другие виды энергии и тем интенсивнее
будут необратимые процессы. Так как теория не отражает
сегодня зависимости интенсивности необратимых процессов
от степени неупругости частиц, то и ее результаты (напри-
мер, выражения для коэффициентов диффузии или вязко-
сти) не содержат величин, характеризующих неупругость мо-
лекул. Этот изъян современной теории носит принципиаль-
ный характер, неустраним и является следствием того, что в
ее основе лежит (обратимая) гамильтонова механика, сохра-
няющая механическую энергию и не содержащая величин,
которые характеризовали бы ее превращение в другие виды
энергии.

1 Фундамент физики образует классическая механика (механика Нью-
тона-Гамильтона), уравнения механики симметричны по времени, т. е. об-
ратимы.
При всем разнообразии существующих точек зрения на
проблему необратимости все они, за редкими исключениями,
сходятся в одном: гамильтонова механика полагается дейст-
вующей и в области необратимых процессов1. Однако все
сводится в основном к концептуальным и философским рас-
смотрениям. Так, у И. Пригожина и И. Стенгере мы читаем,
что квантовая механика вводит вероятность, но не необра-
тимость, а следующим шагом должно быть введение фунда-
ментальной необратимости на микроскопическом уровне.
Необратимость является исходным пунктом других наруше-
ний симметрии. Например, различие между частицами и ан-
тичастицами могло возникнуть только в неравновесном ми-
ре.

Кроме того, согласно Пригожину, второе начало обретает
статус принципа отбора, утверждающего, что в природе реа-
лизуется и наблюдается лишь один из двух типов решений. В
тех случаях, когда второе начало термодинамики применимо,
оно выражает внутреннюю поляризацию природы и не мо-
жет быть следствием самой динамики. За последние десяти-
летия динамика достигла замечательных успехов, и теперь
имеется возможность понять, как решения с нарушенной
симметрией возникают в достаточно сложных динамических
системах и что, собственно, означает на микроскопическом
уровне правило отбора, выражаемое вторым началом термо-
динамики.

Наше видение природы и отношение к ней претерпели
кардинальные изменения. Мы все больше говорим о неста-
бильности и сложности окружающей среды и ее зависимости
от времени, а также от многих, казалось бы, незначительных
факторов. Ученые все более приходят к мнению, что необра-
тимость есть тот механизм, который создает порядок из хао-
са, и, как следствие, необратимость есть источник порядка
на всех уровнях.

Мы уже не раз отмечали, что главным отличием обрати-
мых процессов от необратимых является временная направ-
ленность последних. Иногда говорят, что для обращения вре-

1 В качестве такого исключения упомянем подход, в рамках которого с
самого начала предлагается отказаться от гамильтоновой механики потому,
что несимметричные по времени уравнения в принципе не могут быть вы-
ведены из симметричных. Любые добавления к постулатам обратимой га-
мильтоновой механики некоторых «необратимых» предположений отменяют,
в действительности, гамильтонову механику с ее симметричными по време-
ни уравнениями, обобщая ее в негамильтонову, уравнения которой несим-
метричны по времени.
мени необходима «бесконечно большая информация». Чтобы
предотвратить путешествие в прошлое, природа возвела эн-
тропийный барьер, который гарантирует единственность на-
правления времени, невозможность изменить его ход с одно-
го направления на противоположное. Еще Больцман устано-
вил, что любая вероятностная интерпретация становится
возможной лишь после того, как временная симметрия на-
рушена. Как только мы становимся на эту точку зрения, пе-
ред нами возникают исключительно сложные и важные эво-
люционные проблемы. Одними из самых захватывающих яв-
ляются космологические проблемы. Например, возможна ли
формулировка второго начала, включающая в себя гравита-
цию, или между термодинамикой и гравитацией существует
своего рода диалектический баланс? Необратимость не могла
появиться внезапно в мире с обратимым временем, Проис-
хождение необратимости это космологическая проблема и
для ее решения необходимо проанализировать развитие Все-
ленной на ранних стадиях. Одними из наиболее сложных во-
просов являются: 1) какова была степень «упорядочения» на
первых этапах эволюции после Большого взрыва? 2) что
представляет собой космическая эволюция как постепенное
движение от порядка к хаосу?

Согласно И. Пригожину, направленность времени прояв-
ляет себя лишь в сочетании со случайностью. Только тогда,
когда система ведет себя достаточно случайным образом, в
ее описании возникает различие между прошлым и будущим
и, следовательно, необратимость. Искусственное может быть
детерминированным и обратимым. Естественное же непре-
менно содержит элементы случайности и необратимости. Это
замечание приводит нас к заключению, что материя более не
пассивная субстанция, описываемая в рамках механистиче-
ской картины мира, ей также свойственна спонтанная ак-
тивность: она порождает необратимые процессы, а необра-
тимые процессы организуют материю. С этим мы неизбежно
и сталкиваемся, когда изучаем эволюцию Вселенной, Сол-
нечной системы и биосферы.

Следующее заключение из термодинамики неравновес-
ных процессов, развиваемых Брюссельской школой, можно
рассматривать как основополагающее: на всех уровнях, будь
то уровень макроскопической физики, уровень флуктуаций
или микроскопический уровень, источником порядка являет-
ся неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает
порядок из хаоса! В том, что в природе реально существуют
диссипативные структуры, нет никакой логической необхо-
димости. Однако непреложный «космологический факт» со-
стоит в следующем: для того чтобы макроскопический мир
был обитаемым и в нем жили наблюдатели, например мы с
вами, Вселенная должна находиться в сильно неравновесном
состоянии.

Все это чрезвычайно важно и в практическом аспекте,
так как с решением проблемы необратимости в определен-
ной степени связаны прогнозы выживания человечества на
Земле. Не решив проблемы необратимости, наука не в со-
стоянии снабдить человечество теоретическими средствами,
необходимыми для выхода из экологического кризиса.

Порядок и хаос— сложные понятия. Единицы, исполь-
зуемые в статическом описании, опирающемся на классиче-
скую механику, отличаются от единиц, необходимых для соз-
дания эволюционной парадигмы, выражаемой ростом энтро-
пии. Такими новыми единицами и явились в первую очередь
диссипативные структуры. Для их поддержания требуется
больше энергии, чем для поддержания более простых струк-
тур, на смену которым они приходят. Сами же они возника-
ют потому, что, согласно Пригожину, возможно спонтанное
возникновение порядка и организации из беспорядка и хао-
са в результате процесса самоорганизации. Тип диссипатив-
ной структуры в значительной степени зависит от условий ее
образования.

3.4.	САМООРГАНИЗАЦИЯ И СИНЕРГЕТИКА

Выдающимся достижением науки второй половины два-
дцатого столетия явилось обнаружение и изучение широко
распространенного в природе явления самоорганизации, ко-
торое наблюдается как на молекулярном уровне (самосборка),
так и на макроскопическом уровне (химические осцилляции,
образование кристаллов, минералов). Явление самоорганиза-
ции может служить и своеобразным ключом для проникно-
вения во многие другие явления, связанные с жизнью. Са-
мые современные методы и подходы математики, физики,
органической химии, молекулярной биологии, биофизики,
иммунологии используются для изучения этого явления.

Самоорганизация — это процесс, в результате которого
благодаря взаимодействию отдельных частей друг с другом
система оказывается в состоянии, характеризующемся и но-
выми, эмерджентными свойствами, отсутствующими у час-
тей, составляющих целое. С явлением самоорганизации уче-
ные постоянно сталкиваются в физике, химии, биологии и
экологии. При изучении феномена жизни мы обнаруживаем,
что процессы самоорганизации здесь характеризуются сле-
дующими особенностями:

1.	Эти процессы включают в себя много различных ста-
дий, подчиняющихся нелинейной кинетике.

2.	Хотя бы одна из таких стадий является автокаталити-
ческой и придает динамике кооперативный характер.

3.	Продукты, образующиеся на одной стадии, оказывают
влияние на протекание процессов в других стадиях (часто
говорят о положительной или отрицательной обратной связи).

4.	Различные реакции объединяются в частично авто-
номные циклы.

5.	Определенные циклы (круговороты) ветвятся с тем,
чтобы образовать иерархическую цепь химических реакций.

6.	Протекающие при этом реакции имеют место вдали от
химического равновесия в открытых системах.

Сохранение организмов в природе не происходит (и не
может происходить) за счет централизованного управления,
это может осуществляться только за счет самоорганизации.
Именно самоорганизация позволяет адаптироваться к суще-
ствующей внешней среде, например она позволяет реагиро-
вать на изменение термодинамических характеристик окру-
жающей среды, что делает систему в высшей степени гибкой
и устойчивой к внешним возмущениям.

В предыдущем параграфе мы уже отмечали, что в совер-
шенно обычных и хорошо детерминированных системах, под-
чиняющихся простым законам, может спонтанно возникать
комплексное поведение, связанное с внезапными переходами,
со сложностью состояний или с кажущейся случайной эволюци-
ей, которую рассматривают как детерминированный хаос. Бо-
гатство структур, наблюдаемое в природе, не закодировано в
известных нам физических законах. Однако действие этих за-
конов на протяжении длительных периодов на огромное число
элементов, составляющих систему, приводит, при наличии слу-
чайных возмущений, к самоорганизации в формах совершенно
неожиданных структур и событий, которые нельзя предугадать,
наблюдая за составляющими элементами.

Мы знаем, что любая изолированная система переходит в
состояние равновесия. В этом режиме, где у системы отсут-
ствуют потенциальные возможности, вопрос самоорганиза-
ции не возникает. В разделах 3.2 и 3.3 мы познакомились с
тем, что два фундаментальных механизма позволяют системе
преодолеть эти жесткие рамки: открытость и нелинейность.
Более того, эволюция может быть разложена на последова-
тельность детерминированных элементов и случайных собы-
тий, приводящих к бифуркациям. Система оказывается чув-
ствительной к параметрам, контролирующим положение то-
чек бифуркации, так что две макроскопически неразличи-
мые системы, помещенные в одни и те же рамки, оказыва-
ются способными следовать совершенно различными путями
развития. Эта потеря уникальности и одновременно предска-
зуемости является первым шагом к самоорганизации и
сложности.

До сих пор при рассмотрении эволюции системы мы поль-
зовались ограниченным числом таких переменных, как темпе-
ратура, химический состав, скорость потоков, давление и т. д.
Эволюция происходила у нас в абстрактном пространстве, т. е.
в пространстве, которое включает в себя все эти переменные. В
этом фазовом пространстве мгновенное состояние системы
представляется точкой, и по мере развития рассматриваемая
точка следует кривой, которая называется фазовой траектори-
ей. Следуя таким траекториям, начинающимся из различных
начальных состояний, ученые получают фазовый портрет, ко-
торый дает ценное качественное представление о возможно-
стях системы. Как правило, для всех естественных систем фа-
зовые траектории будут после определенного времени сходить-
ся к объекту, размеры которого намного меньше, чем размеры
самого фазового пространства, и который получил название
аттрактора. Такое геометрическое представление самооргани-
зующихся систем оказывается особенно полезным при класси-
фикации и сравнении различных типов динамического пове-
дения, появляющихся внутри системы, когда условия, в кото-
рых она находится, изменяются.

Аттракторы классифицируют согласно тому, как они реа-
лизуются в фазовом пространстве. Простейшим объектом,
который мы можем себе представить в пространстве, являет-
ся точка. На рис. 16, а представлен точечный аттрактор. Его
наличие означает, что через достаточно длинный промежу-
ток времени любое начальное состояние системы будет стре-
миться к состоянию, которое далее не эволюционирует. Сис-
тема оказывается в стационарном состоянии.

Возможные траектории нашей системы могут стремиться
и к аттрактору в виде замкнутой кривой (рис. 16, б). Такие
аттракторы называются предельными циклами. Здесь мы
имеем прототип периодического явления; наиболее важным
его примером могут служить биологические ритмы. Различ-
ные типы физического поведения оказываются связанными
с аттракторами разных типов.	< j
Рис. 16. Геометрическое представление
самоорганизующихся систем: а— точечный
аттрактор, б — предельный цикл

Синергетика1 — это новая отрасль науки, бурно разви-
вающаяся на стыке физики, математики, химии, биологии и
экологии. Рассмотренные нами в разделе 3.2 термодинамика
необратимых процессов в сильно неравновесной области и в
разделе 3.3 необратимость, порядок и хаос, конечно, вклю-
чают синергетику, или синергетика входит в них. Однако так
как этот термин часто используется в современной экологи-
ческой литературе, то представляется необходимым уделить
ему специальное место.

Целью синергетики является выявление общих законо-
мерностей в процессах образования, устойчивости и разру-
шения упорядоченных временных и пространственных
структур в сложных, далеких от равновесия физических и
химических системах, а также в биологических и экологиче-
ских системах. Возникновение организованного поведения
может быть как результатом самоорганизации, т. е. внутрен-
ней неустойчивости в системе, так и обусловлено внешними
воздействиями (вынужденная организация).

1 Термин «синергетика» происходит от греч. synergetikos — совместный,
согласованно действующий. Общим для всех работ по синергетике является
математическое моделирование и анализ построенных с помощью ЭВМ мо-
делей. Ключевой в истории синергетики была статья американского метео-
ролога Э. Лоренца (1963), в которой средствами машинного эксперимента
изучалась термоконвекция в тонком слое вязкой жидкости, между верхней и
нижней поверхностями которого поддерживается определенная разность
температур, играющая здесь роль управляющего параметра. Термин синер-
гетика предложил Г. Хакен в своей монографии (1978). В литературе можно
встретить определение синергетики как дисциплины, изучающей хаос в
диссипативных системах. Производственная деятельность людей представ-
ляет собой создание из природных материалов искусственных структур, со-
провождающееся ростом энтропии.
В первом случае процесс упорядочения связан с коллек-
тивным поведением подсистем, образующих систему. Поми-

мо самоорганизации интенсивно изучаются и вопросы само-
дезорганизации — возникновения хаоса (сложного поведе-
ния) в динамических системах. Основной интерес представ-

ляют диссипативные системы.

Модели синергетики представляют собой модели нерав-
новесных систем, подвергающихся действию флуктуаций. В
момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы
отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации
переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно не-
сколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают
лишь одно из них. В биологии и экологии синергетика иссле-
дует простейшие модели, позволяющие понять и выделить
наиболее существенные механизмы организации порядка
(избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, кон-
куренцию и др.).

Основой синергетики служит единство явлений, моделей и
методов, с которыми приходится сталкиваться при исследова-
нии процессов возникновения порядка из беспорядка: органи-
зация сообществ в экологии, реакции Белоусова-Жаботинского
в химии, спиральные галактики, рассмотренные выше ячейки
Бенара и т. д. Понятия и образы синергетики связаны в первую
очередь с оценкой упорядоченности поведения. Это— про-
странственная корреляция, параметр порядка, взаимная коор-
динация подсистем, энтропия и др. Для многих задач синерге-
тики построение теории сводится к созданию и анализу веро-
ятностной модели.

В синергетике можно выделить несколько направлений.
Наиболее известное связано с вышеупомянутыми работами,
Брюссельской школы. В центре их внимания находятся от-

крытые системы, находящиеся в стационарных состояниях,
к которым относятся экосистемы и живые системы. Заме-;
тим, что оно делает не очень характерный для синергетики в

целом упор на микроскопичность

описания и понятие энтро-

пии. Жизнь предстает как своеобразное проявление тех са-
мых условий, в которых находится наша биосфера, в тоь

числе нелинейности химических реакций и сильно неравно
весных условий, налагаемых на биосферу солнечной радиа
цией.

Таким образом, последовательность отдельных процесс®
в каждом из которых энтропия лишь возрастает (т. е. хаос I
Вселенной при этом увеличивается), может приводить и
возникновению структур высокой степени сложности. П
этому, замечая какой-либо объект, обладающий сложив
внутренней структурой, мы не должны сразу же делать выя
вод о том, что этот объект является воплощением целена-1
правленного замысла. Он мог возникнуть естественно в ре-
зультате определенной последовательности процессов, каж-
дый из которых сам по себе не преследует никакой конкрет-
ной цели, а происходит в естественном направлении по мере
того, как Вселенная погружается в хаос.

Если вы нашли часы, то сложность их механизма не ос-
тавляет у вас сомнений в том, что часы были кем-то сконст-
руированы. Если мы попытаемся такую цепь рассуждений
распространить на биосферу, то придем к неверному заклю-
чению. Окружающий нас мир устроен значительно сложнее
часов, поэтому космический путешественник, посетивший
нашу планету и пользующийся такой логикой, не усомнился
бы в том, что этот мир был спроектирован и что (по крайней
мере когда-то) существовал его создатель. Однако, как мы
знаем, это рассуждение ошибочно.

Как мы отмечали, вблизи равновесия внешние связи, та-
кие, как тепловые потоки1, однозначно определяют стацио-
нарное состояние и контролируют поведение системы. По
теореме о минимальном производстве энтропии стационар-
ное состояние соответствует минимальному производству
энтропии, совместимому с данной связью. Как только мы пе-
реходим порог неустойчивости, то ситуация изменяется. На-
пример, вихри Бенара производят больше энтропии, чем это
следует из теоремы о минимуме производства энтропии. Для
поддержания той же разности температур необходимо уве-
личить поток теплоты, т. е. как бы создать поток отрицатель-
ной энтропии. Неравновесная связь уже не «объясняет» про-
изводство энтропии. Она дает лишь необходимое условие для
возникновения сильно неравновесного порядка. Сильно не-
равновесные ситуации приводят нас вновь к чувствительно-
сти к начальным условиям, неустойчивости и бифуркации,
являющимися предпосылками самоорганизации.

При рассмотрении экологических проблем оказывается
чрезвычайно важным учитывать неустойчивость системы и
ее чувствительность к своим собственным флуктуациям. Те-
перь адекватность выбранного способа описания зависит и

1 Поток теплоты или вещества, удерживающий систему от перехода в
равновесное состояние, является связью в том смысле, что без него система
эволюционировала бы к равновесию.
от активности системы. Равновесные системы и системы,
близкие к равновесным, являются контролируемыми или
управляемыми. В то же время мы не можем управлять
столкновениями молекул, происходящими при химических
реакциях, или моментами спонтанного возникновения вихря
в жидкости или атмосфере.

Сильно неравновесные системы, в которых такие некон-
тролируемые флуктуации могут усиливаться и играть ре-
шающую роль, не являются управляемыми. Флуктуации мо-
гут перестать быть просто «шумом» и превратиться в фактор,
направляющий глобальную эволюцию системы. Вдали от
равновесия то, что мы рассматриваем в качестве причины
эволюции, зависит от обстоятельств. Несущественное для ус-
тойчивой системы событие и флуктуация могут стать опреде-
ляющими, если система под действием неравновесных свя-
зей переходит в неравновесное состояние.

Вопрос: «А что произошло бы, если бы?», типичный для
повседневной жизни, оказывается правомочным в нели-
нейной термодинамике, когда исследуемую систему мы не,
можем описывать как контролируемую. Он связан не с не1-,
полнотой знания, а со спецификой поведения сильно не-;
равновесной системы. В точках бифуркации поведение^
системы становится неустойчивым и может эволюциони-
ровать к нескольким альтернативам, соответствующим
различным устойчивым состояниям. Здесь мы имеем дело
только с вероятностями, и никакое приращение знания не'
позволит детерминистически предсказать, что произойдет1
с системой.

Введенные выше аттракторы часто используют в синер-
гетике для исследования соотношения между простым Й
сложным (вместо того, чтобы говорить об иерархии). Аттрак<
торами являются, например, положение равновесия остано-;
вившегося реального маятника или состояние термодинами»'
ческого равновесия. Пример с маятником является особенне)
поучительным. Действительно, если убрать трение и опять
перейти к идеальному маятнику, то мы получим пример
структурной неустойчивости. В отсутствие трения аттрактор
в такой системе не существует, но даже самое слабое трений
радикально изменяет движение маятника и вводит аттрак-
тор.

Диссипативные системы обычно не приходят к единсТ
венной конечной точке. Например, такая сильно неравно
весная диссипативная структура, как «химические часы
эволюционирует к устойчивому периодическому режиму1.
Аттрактором в этом случае является линия, описывающая
периодическое во времени изменение концентрации химиче-
ских веществ в системе. В этом случае при любых начальных
условиях система эволюционирует к «предельному циклу».
Она остается предсказуемой и поэтому допускает последова-
тельное математическое описание. В других случаях аттрак-
тор может оказаться в виде некоторой поверхности или объ-
ема. Аттракторами могут быть и стохастические области
весьма причудливой конфигурации.

Удивительным стало открытие аттракторов, которые ха-
рактеризуются дробными размерностями1 2 и получили назва-
ние «странные аттракторы»3. Они являются «фрактальными»
объектами. Их открытие позволило по-новому взглянуть на
мир форм, существующих в природе. Большинство этих
форм не являются правильными геометрическими объекта-
ми, но могут быть охарактеризованы дробными размерно-
стями. Например, облако является не объемным телом или
поверхностью, а неким промежуточным геометрическим
объектом с размерностью, заключенной между 2 и 3.

Открытие аттракторов с фрактальными размерностями
позволило использовать их для описания поведения систем
во времени. Если ранее существование аттрактора было си-

1 В природе наблюдаются колебательные химические реакции, в ходе
которых концентрации промежуточных соединений и скорости реакций
испытывают периодические колебания. Химические часы — пример таких
реакций с характерным когерентным периодическим изменением концен-
трации реагентов, возникающим вдали от равновесия. Это может прояв-
ляться в изменении цвета раствора. Здесь мы имеем дело с периодичностью
нарушенной симметрии во времени. Периодические преобразования охва-
тывают миллиарды молекул. Система образует единое целое, каждая часть
которого реагирует иа поведение всех остальных частей. Подобные реакции
лежат в основе многих биологических процессов: генерации биоритмов,
мышечных сокращений и т. д.

2 В науке используют разные представления о размерности. Топологиче-
ской размерностью в теории множеств является число евклидовых коорди-
нат, необходимых для фиксации произвольной точки множества. Фракталь-
ной размерностью в теории множеств является размерность единицы изме-
рения меры (объема) множества, при использовании которой эта мера ока-
зывается конечной, т. е. отличной от нуля и бесконечности.

3 Имеется несколько определений странного аттрактора. Основными
являются два: 1. Странным является всякий стохастический аттрактор (та-
кого определения придерживается Брюссельская школа). 2. Странным явля-
ется аттрактор, имеющий размерность, отличную от топологической, хао-
тичность при этом не обязательна. Иногда говорят, что на феноменологиче-
ском уровне отличие странных аттракторов от нестранных состоит в том,
что первые имеют структуру.
нонимом устойчивости и воспроизводимости— выхода на
«то же самое»— при любых начальных условиях, то новые
аттракторы с фрактальными размерностями порождают та-
кие типы поведения, которые невозможно ни предсказать,
ни воспроизвести. В любой области, занимаемой фракталь-
ным аттрактором, сколь бы мала она ни была, мы обнаружи-
ваем одну и ту же сложную структуру. Поэтому и начальные
условия, сколь угодно близкие, но не совпадающие, порож-
дают различные эволюции. Системы эволюционируют по
траекториям, которые со временем расходятся. Малейшее
различие в начальных условиях или малейшее возмущение не
затухают, а усиливаются аттрактором. Аттрактор определяет
режимы, «чувствительные к начальным условиям».

Вследствие своей чувствительности к начальным услови-
ям фрактальные аттракторы приводят нас к необходимости
пересмотра самого смысла причинности. Известную из
школьных учебников общую детерминистическую связь ме-
жду причиной и следствием необходимо заменить новыми
свойствами, соответствующими качественному различию
между устойчивыми и хаотическими режимами. Мы прихо-
дим к определению «хаотического» режима, типичного для
систем со странным аттрактором. Режим называется хаоти-
ческим, если расстояние между любыми двумя точками, пер-
воначально сколь угодно малое, экспоненциально возрастает
со временем1.

3.5. ПРИМЕРЫ НЕПРЕДСКАЗУЕМОГО
ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ

Наличие хаоса в системах вынуждает нас уделить особое
внимание понятиям предсказуемости и вероятностного опи-
сания. Часто говорят, что многообразие факторов, опреде-
ляющих рассматриваемый процесс или событие, приводит к
вероятностному описанию, которое выражает степень наше-
го незнания. Но так обстоит дело не всегда, и мы рассмотрим
теперь два примера, иллюстрирующих непредсказуемость
поведения системы. В качестве первого примера рассмотрим

1 Разбегание траекторий характеризуется временем Ляпунова — внут-
ренним масштабом времени хаотических систем, т. е. интервалом времени,
в течение которого выражение «две одинаковые системы», соответствующие
одним и тем же начальным условиям, сохраняет смысл. После достаточно
продолжительного, по сравнению с временем Ляпунова, периода эволюции
память о начальном состоянии системы полностью утрачивается, и задание
начального состояния не позволяет более определять траекторию.
климат. Его определяет множество факторов. Это приводит,
в частности, к существованию микроклиматов, зависящих от
локального рельефа, растительности и т. д. Что касается гло-
бального климата Земли, то он несомненно подвержен суще-
ственным изменениям, сыгравшим важную роль в истории
биосферы.

Известно, что ~ 250 млн лет назад климат был гораздо
мягче, чем сегодня: континенты практически не были по-
крыты льдом, а уровень океана был значительно выше, чем
сейчас. Затем, в третичный период, 40 млн лет назад, разли-
чие между температурой на полюсах и в экваториальных зо-
нах возросло. Изучая четвертичный период, мы обнаружива-
ем уже серии оледенений. Несколько тысяч лет назад, после
отступления ледников Земля достигла состояния, которое
часто называют «климатическим оптимумом». В этот период,
закончившийся ~ 8 тыс. лет назад, в Сахаре процветало зем-
леделие1.

Что определяет такие вариации климата? Предсказания
погоды или поиски самых разнообразных проявлений цик-
личности (периодичности в изменениях) климатических усло-
вий всегда привлекали и привлекают огромное количество
людей, в большинстве далеких от научной стороны этой
сложнейшей проблематики. Что же можно сказать сегодня в
рамках синергетики по этому вопросу? Нужно ли привлекать,
например, вариации потока солнечной энергии, чтобы объ-
яснить вариации климата, или мы имеем дело просто с ре-
зультатом совместного действия множества не поддающихся
учету факторов?

В любом случае специалисты, работающие в области
климатологии, восстанавливают с помощью той или иной ме-
тодики климат в течение геологических периодов в опреде-
ленном районе земного шара, а затем используют эту инфор-
мацию для идентификации причин, приведших к таким из-
менениям (решают обратную задачу, т. е. находят уравнения,
порождающие такой временной ряд).

Задача сводится к идентификации хаотического режима,
порождаемого странным аттрактором, и разграничению
влияния странного аттрактора от других источников пред-
сказуемости. К сожалению, мы не знаем априори, что пред-
ставляют собой переменные, управляющие хаотическим ат-
трактором, и каково их число. Идентифицировать одното-
чечный аттрактор, исходя из временного ряда, не представ-

1 Конец этого периода совпал с наступлением железного века.
ляет никакой трудности, так как ряд сходится к вполне оп-
ределенному значению и остается далее постоянным во вре-
мени. Однако временной ряд, порождаемый хаотическим
аттрактором, не обладает простой периодичностью. Тем не
менее в настоящее время развиты методы, позволяющие оп-
ределить размерность аттрактора и минимальное число неза-
висимых переменных, необходимых для описания системы.

Суть метода состоит в том, что, если наблюдаемые ва-
риации климата действительно определяются глобальной ди-
намикой, то, вводя достаточное число переменных, мы мо-
жем описать эволюцию системы в терминах линейной систе-
мы с и переменными. Исключая последовательно одну пере-
менную за другой, оказывается возможным заменить эту ли-
нейную систему уравнений одним нелинейным уравнением
п-го порядка с наблюдаемой переменной X в качестве един-
ственной переменной. Решение этого уравнения зависит от
начального значения переменной X и ее (п-1) производных,
т. е. зависит от значений п чисел. Из имеющегося временного
ряда строят различные ряды данных, эквидистантных по
времени, выбирая для каждого ряда отличный от других на-
чальный момент времени. Варьируя число d таких рядов, мы
ожидаем, что они будут независимыми друг от друга, пока d
будет оставаться меньшим или равным п — числу независи-
мых переменных, участвующих в гипотетической глобальной
динамике. Таким образом, устанавливается критическое
значение параметра d, выше которого между данными воз-
никают корреляции. Это критическое значение дает нам
размерность n-неизвестной системы, и размерность аттрак-
тора, фрактального или нефрактального, должна быть мень-
ше п.

Если бы анализируемый временной ряд порождался не
глобальной динамикой, а случайным процессом, то увеличе-
ние числа d не привело бы к возникновению корреляций.
При таком подходе в основе временной вариации наблюдае-
мой величины здесь не лежит никакой детерминистической
схемы. Именно в этом смысле утверждают, что временная
эволюция, порождаемая не аттрактором, а внутренне слу-
чайным процессом, характеризуется бесконечно большими
размерностями.

Введенное таким образом разделение «истинно случай-
ных процессов» от «детерминированного хаоса» было исполь-
зовано для исследования временного ряда колебаний темпе-
ратуры более чем за 900 тыс. лет на основании анализа дан-
ных по изотопному составу кислорода в осадочных породах
из экваториальной зоны Тихого океана. Авторы исследования
пришли к заключению, что временной ряд порожден хаоти-
ческим аттрактором малой размерности, т. е. небольшого
числа независимых переменных может оказаться вполне дос-
таточно для объяснения долговременных вариаций климата
Земли! Следовательно, у нас нет способов судить о том, что
просто и что сложно. Подобно тому, как неожиданная слож-
ность возникает в вынужденных колебаниях маятника, не-
ожиданная простота обнаруживается в ситуациях, которые
складываются под влиянием совместного действия множест-
ва факторов.

При рассмотрении образования циклонов или антици-
клонов, согласно такому подходу, возникает уже более слож-
ный хаотический аттрактор с семью независимыми пере-
менными, а состояние атмосферы может быть предсказано
примерно на три недели вперед. Температуры в каком-то
конкретном месте являются результатом взаимодействия ог-
ромного числа переменных, каждая из которых подвержена
своему статистическому распределению. Поэтому при со-
ставлении локальных прогнозов погоды используются моде-
ли, содержащие порядка миллиона переменных, и погреш-
ность предсказания удваивается каждые три дня.

В качестве второго примера рассмотрим некоторые во-
просы, связанные с самоорганизацией в системах с большим
числом взаимодействующих субъединиц— в биологических
системах1. Составляющими элементами могут быть молекулы
в жидкости, клетки в организме или нейроны в мозге. Оче-
видно, все эти элементы не могут находиться в одинаковом
состоянии, и поэтому в таких системах возникает случайный
«шум», играющий примерно ту же роль, что и возмущения в
теории устойчивости. Мы говорим в таком случае о возмуще-
ниях, генерируемых самой системой, а не о флуктуациях,
связанных с внешней средой.

Даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма
вовлечены несколько тысяч сопряженных химических реак-
ций, что, безусловно, требует тонких механизмов координа-

1 Биологические системы являются чрезвычайно сложными и упорядо-
ченными объектами. Они обладают уникальной способностью сохранять и
передавать информацию в виде структур и функций, возникших в прошлом
в результате длительной эволюции. Поддержание жизни, даже в ее простей-
шей бактериальной форме, предполагает наличие постоянного обмена ве-
ществ, синтеза макромолекул и регуляции этих процессов. Эти процессы
протекают в нужное время и в нужном месте — в противном случае возни-
кает хаотическая картина, приводящая к смерти.
ции и регуляции. Здесь необходимо в первую очередь учиты-
вать чрезвычайно сложную функциональную организацию.
Биологическая упорядоченность является одновременно
структурной и функциональной, т. е., казалось бы, такой, ко-
торая характерна для диссипативных структур, возникаю-
щих в результате функционирования системы (например, в
результате протекания химических реакций) в условиях, да-
леких от равновесия. Необходимым условием изучения связи
между структурой и функцией является знание химического
механизма рассматриваемого процесса во всех подробно-
стях. Именно тесная связь между химией, термодинамикой и
математикой и составляет сегодня сущность молекулярной
биологии.

Обсуждая проблемы, связанные с эволюцией, мы говори-
ли о существовании энтропийных потоков из живой системы
в окружающую среду. Один из вопросов, который при этом
возникает, заключается в том, что средний атомный вес хи-
мических элементов земной коры составляет ~ 24,8, а орга-
нических систем ~ 14,0. Легкий атом проще тяжелого. По-
этому некоторые ученые рассуждают следующим образом:
живое выбирает из среды более простые атомы, упрощаясь
за счет среды на атомном уровне. Легкие элементы более
распространены, т. е. их более вероятно встретить, чем тяже-
лые. Большая вероятность распространения легких элемен-
тов, в соответствии с определением энтропии как логарифма
вероятности, может означать их большую энтропию (в пере-
счете на единицу массы вещества). Если это так, то на атом-
ном уровне имеется поток энтропии из среды в живое.

Упомянем также то обстоятельство, что между химиче-
ским составом даже простейшей клетки и составом ее окру-
жения имеется поразительное различие (напомним, что сред-
ний молекулярный вес белка по порядку величины составля-
ет ~ 105, в то время как для воды он равен 18).

Важность проблемы происхождения жизни ни у кого не
вызывает сомнения, и это, безусловно, наиболее захватываю-
щий вопрос эволюции материи. Согласно И. Пригожину, в наи-
более общем виде подход к анализу этой проблемы звучит так:
жизнь своими корнями «уходит в когерентную диссипативную
активность сильно неравновесной материи». В качестве сле-
дующего шага предполагается, что предбиологическая эволю-
ция, по существу, соответствует последовательности неустой-
чивостей, приводящей к возрастающему уровню сложности.
Следующий вопрос: можно ли связать с возникновением жизни
«инкорпорирование» необратимости в материю?
Если сегодня биомолекулы выступают и как реагенты, и
как продукты обмена веществ, то что можно сказать о пред-
шественницах этих биомолекул? Как представить себе пере-
ход от «химической» истории, когда отдельные молекулы син-
тезируются или распадаются, к «биологической» истории, ко-
гда многообразие путей химических реакций становится ре-
шающим образом взаимосвязанным в процессе сохранения
новой индивидуальной сущности? Откуда же возникает био-
логическая «информация»? Можно ли указать механизм ре-
акции, приводящей к синтезу молекул, которые могли бы
стать «носителями информации», прототипами наших биомо-
лекул? Необратимость запечатлена в веществе химией1. Мо-
жет ли запись соответствующей информации произойти при
образовании молекул, которые стали бы главными дейст-
вующими лицами на последующих стадиях эволюции?

В молекулярной биологии функциональная упорядочен-
ность рассматривается как следствие структурной упорядочен-
ности. Жизненные процессы описываются в таком случае на
языке информации, ее кодирования и передачи. Имеется ли
здесь связь между термодинамикой и теорией информации? В
1929 г. Л. Сциллард обратил внимание на то, что, если мы хо-
тим найти энтропию, необходимо получить информацию о мо-
лекулах, а, следовательно, существует связь между информаци-
ей и термодинамическими характеристиками. Смысл после-
дующих работ свелся к тому, что информацию нельзя получать
«бесплатно». Платить нужно энергией, а это приводит к тому,
что энтропия системы повышается на величину, по крайней.
мере, равную ее понижению за счет полученной информации.

Мы видели в 2.7 и 3.4, что, если задано макроскопическое
состояние, которому соответствует определенный набор микро-
состояний (в каждом микросостоянии точно заданы состояния
всех частиц, входящих в систему), то энтропия этой системы
определяется выражением (10). Для любой макросистемы при
температуре выше абсолютного нуля число микросостояний W1 2 3,
соответствующих данному макросостоянию, огромно, и все они
имеют одинаковую априорную вероятность. Знать микросо-
стояние системы — значит знать о системе все.

1 Химические процессы производят продукты, сохраняющие память о

необратимых процессах, которые привели к их образованию. Следовательно,
необратимость не только определяет процессы перехода из одного состояния
в другое, но и через химическую необратимость она запечатлевается в веще-
стве.

3 Напомним, что W— это статистический вес, или термодинамическая
вероятность данного макросостояния.
Количественно оценить наши знания о системе, найти
а затем и энтропию позволяет, казалось бы, теория инфор-
мации1. Область ее приложений чрезвычайно широка: от
биомолекул до передачи информации по линиям связи. Для
расчета количества информации, которое надо получить о
системе, находящейся в данном макросостоянии, чтобы од-
нозначно определить ее микросостояние, можно поступить
следующим образом: предположить, что микросостояние оп-
ределено путем измерений или расчетов. До этого момента
вероятность того, что макроскопическая система находилась
именно в этом микросостоянии, была равна 1 / IV, а после оп-
ределения стала равной единице. Полученное количество
информации I равно

1 = - logs \jW= logalV.	(

Это выражение совпадает с точностью до постоянного
размерного множителя с (10) и, следовательно, I и S фор-
мально идентичны. Говорят, что энтропия системы в данном
макросостоянии есть количество информации, недостающее
до ее полного описания1 2. Чтобы перейти от количества ин-

1 Классическое определение информации принадлежит К. Шеннону.
Оиа служит мерой «неожиданности» обнаружения каждой новой буквы в
последовательности. Самая богатая информация содержится в случайной
последовательности букв. Так, например, прочтение 99 букв случайной по-
следовательности ничем не облегчает предсказание сотой буквы. Такое оп-
ределение информации не дает, однако, никакого ответа на вопрос о том,
как определить те связи— синтаксические, грамматические или какие-
нибудь иные, — которые позволили бы нам опознавать текст, сколь бы «су-
масшедшим» ни было его содержание. В качестве единицы информации
принят «бит» — количество информации в достоверном сообщении о собы-
тии, априорная вероятность которого равна 1/2.

2 Энтропией в теории информации называют меру неопределенности
какого-либо опыта, который в зависимости от случая может заканчиваться
различными исходами. При этом предполагают, что имеются определенные
вероятности появления того или иного исхода. Пусть да, хи,..., х>— различ-
ные исходы опыта, pi, pi,..., рп — соответствующие вероятности, р > 0,
п

22 Pi = 1 • Тогда формально энтропия определяется выражением: I = 1(р>, р2,
«=1

п

..., Рп) = Е р; log2(1 / р;), и она обладает следующими свойствами: 1) равна
1=1

нулю в том случае, когда одно из р, равно единице, а остальные равны нулю,
т. е. когда исход опыта достоверен; 2) при данном п энтропия достигает
максимального значения, когда все исходы равновероятны; 3) энтропия объ-
единения двух независимых опытов равна сумме их энтропий. I является
единственной функцией от р., удовлетворяющей этим и еще нескольким,
столь же естественным требованиям.
формации в битах к энтропии в энтропийных единицах, не-
обходимо перейти от логарифма при основании 2 к нату-
ральному логарифму и умножить на постоянную Больцмана.
Формальное определение информации ничего не говорит нам
о том, что представляли собой исходные биомолекулы. Рас-
смотрим, например, молекулу белка, содержащую -100 ами-
нокислот. Всего в природе существует двадцать типов ами-
нокислот. Известно, что данный белок выполняет свою фи-
зиологическую функцию лишь в том случае, если расположе-
ние составляющих этот белок аминокислот вдоль цепи соот-
ветствует вполне определенному порядку. Число перестано-
вок, необходимое для получения нужного расположения ами-
нокислот из произвольного начального распределения, равно

20100 - 10130.

Если каждая из 20 аминокислот с равной вероятностью f
может занять любое из 100 положений, то априори могут су-
ществовать 20100 белковых последовательностей из 100 ами-
нокислот. По определению Шеннона, каяодая из этих после-
довательностей обладает богатым информационным содер-
жанием. Но как же из столь невероятного разнообразия воз-
никли некоторые выделенные последовательности, сыграв-
шие особую роль в эволюции жизни?

В предыдущих параграфах при рассмотрении замкнутых
систем мы видели, что при низких температурах там возможно
образование упорядоченных структур, обладающих малой эн-
тропией. Этот принцип упорядоченности, часто называемый
как больцмановский принцип, объясняет возникновение струк-
тур типа кристаллических. Однако вероятность того, произой-
дет такая конденсация макроскопического числа молекул, при
которой возникнут не только высокоупорядоченные структуры,
характерные для жизни (макромолекулы, мембраны и др.), но и
координированное функционирование тысяч химических ре-
акций, приходящихся на одну клетку, практически равна нулю.
Пусть в рассмотренном выше примере с молекулой белка все
возникающие конфшурации имеют одинаковую априорную
вероятность. В этом случае, если бы даже изменение структуры
такого исходного белка, например посредством мутаций, про-
исходило каждые 10-8 с, то для получения нужного белка слу-
чайным образом потребовалось бы время t ~ 10122 с. Так как
возраст Земли составляет - 1017 с, то вероятность спонтанного
образования такого белка составила бы всего - 10-105.

Если исходным механизмом, приведшим к образованию
первых молекул-предшественниц наших биомолекул, была бы


Количественно оценить наши знания о системе, найти И<
а затем и энтропию позволяет, казалось бы, теория инфор-
мации1. Область ее приложений чрезвычайно широка: от
биомолекул до передачи информации по линиям связи. Для
расчета количества информации, которое надо получить о
системе, находящейся в данном макросостоянии, чтобы од-
нозначно определить ее микросостояние, можно поступить
следующим образом: предположить, что микросостояние оп-
ределено путем измерений или расчетов. До этого момента
вероятность того, что макроскопическая система находилась
именно в этом микросостоянии, была равна 1 / И< а после оп-
ределения стала равной единице. Полученное количество
информации I равно

I = - logs 1 /И^= logs И<

Это выражение совпадает с точностью до постоянного
размерного множителя с (10) и, следовательно, I и S фор-
мально идентичны. Говорят, что энтропия системы в данном
макросостоянии есть количество информации, недостающее
до ее полного описания1 2. Чтобы перейти от количества ин-

1 Классическое определение информации принадлежит К. Шеннону.
Она служит мерой «неожиданности» обнаружения каждой новой буквы в
последовательности. Самая богатая информация содержится в случайной
последовательности букв. Так, например, прочтение 99 букв случайной по-
следовательности ничем не облегчает предсказание сотой буквы. Такое оп-
ределение информации не дает, однако, никакого ответа на вопрос о том,
как определить те связи— синтаксические, грамматические или какие-
нибудь иные, — которые позволили бы нам опознавать текст, сколь бы «су-
масшедшим» ни было его содержание. В качестве единицы информации
принят «бит» — количество информации в достоверном сообщении о собы-
тии, априорная вероятность которого равна 1/2.

2 Энтропией в теории информации называют меру неопределенности
какого-либо опыта, который в зависимости от случая может заканчиваться
различными исходами. При этом предполагают, что имеются определенные
вероятности появления того или иного исхода. Пусть xi, хз,...,	— различ-
ные исходы опыта, pi, pi... рп — соответствующие вероятности, р 0,

п

X Pi = 1. Тогда формально энтропия определяется выражением: I= l(pi, р2,
i=l

п.

.... Рп) = S Pi log2(1 /р(), и она обладает следующими свойствами: 1) равна
i=i

нулю в том случае, когда одно из р. равно единице, а остальные равны нулю,
т. е. когда исход опыта достоверен; 2) при данном п энтропия достигает
максимального значения, когда все исходы равновероятны; 3) энтропия объ-
единения двух независимых опытов равна сумме их энтропий. I является
единственной функцией от р,, удовлетворяющей этим и еще нескольким,
столь же естественным требованиям.
формации в битах к энтропии в энтропийных единицах, не-
обходимо перейти от логарифма при основании 2 к нату-
ральному логарифму и умножить на постоянную Больцмана.
Формальное определение информации ничего не говорит нам
о том, что представляли собой исходные биомолекулы. Рас-
смотрим, например, молекулу белка, содержащую -100 ами-
нокислот. Всего в природе существует двадцать типов ами-
нокислот. Известно, что данный белок выполняет свою фи-
зиологическую функцию лишь в том случае, если расположе-
ние составляющих этот белок аминокислот вдоль цепи соот-
ветствует вполне определенному порядку. Число перестано-
вок, необходимое для получения нужного расположения ами-
нокислот из произвольного начального распределения, равно
N 20100 - 10130.

Если каждая из 20 аминокислот с равной вероятностью
может занять любое из 100 положений, то априори могут су-
ществовать 20100 белковых последовательностей из 100 ами-
нокислот. По определению Шеннона, каждая из этих после-
довательностей обладает богатым информационным содер-
жанием. Но как же из столь невероятного разнообразия воз-
никли некоторые выделенные последовательности, сыграв-
шие особую роль в эволюции жизни?

В предыдущих параграфах при рассмотрении замкнутых
систем мы видели, что при низких температурах там возможно
образование упорядоченных структур, обладающих малой эн-
тропией. Этот принцип упорядоченности, часто называемый
как больцмановский принцип, объясняет возникновение струк-
тур типа кристаллических. Однако вероятность того, произой-
дет такая конденсация макроскопического числа молекул, при
которой возникнут не только высокоупорядоченные структуры,
характерные для жизни (макромолекулы, мембраны и др.), но и
координированное функционирование тысяч химических ре-
акций, приходящихся на одну клетку, практически равна нулю.
Пусть в рассмотренном выше примере с молекулой белка все
возникающие конфигурации имеют одинаковую априорную
вероятность. В этом случае, если бы даже изменение структуры
такого исходного белка, например посредством мутаций, про-
исходило каждые IO8 с, то для получения нужного белка слу-
чайным образом потребовалось бы время t - 10122 с. Так как
возраст Земли составляет - 1017 с, то вероятность спонтанного
. образования такого белка составила бы всего - 10-105.

Если исходным механизмом, приведшим к образованию
первых молекул-предшественниц наших биомолекул, была бы
Количественно оценить наши знания о системе, найти
а затем и энтропию позволяет, казалось бы, теория инфор-
мации1. Область ее приложений чрезвычайно широка: от
биомолекул до передачи информации по линиям связи. Для
расчета количества информации, которое надо получить о
системе, находящейся в данном макросостоянии, чтобы од-
нозначно определить ее микросостояние, можно поступить
следующим образом: предположить, что микросостояние оп-
ределено путем измерений или расчетов. До этого момента
вероятность того, что макроскопическая система находилась
именно в этом микросостоянии, была равна 1/И< а после оп-
ределения стала равной единице. Полученное количество
информации {равно

I = - logs l/W= logalK z

Это выражение совпадает с точностью до постоянного
размерного множителя с (10) и, следовательно, I и S фор-
мально идентичны. Говорят, что энтропия системы в данном
макросостоянии есть количество информации, недостающее
до ее полного описания1 2. Чтобы перейти от количества ин-

1 Классическое определение информации принадлежит К. Шениону.
Она служит мерой «неожиданности» обнаружения каждой новой буквы в
последовательности. Самая богатая информация содержится в случайной
последовательности букв. Так, например, прочтение 99 букв случайной по-
следовательности ничем не облегчает предсказание сотой буквы. Такое оп-
ределение информации не дает, однако, никакого ответа на вопрос о том,
как определить те связи— синтаксические, грамматические или какие-
нибудь иные, — которые позволили бы нам опознавать текст, сколь бы «су-
масшедшим» ни было его содержание. В качестве единицы информации
принят «бит» — количество информации в достоверном сообщении о собы-
тии, априорная вероятность которого равна 1/2.

2 Энтропией в теории информации называют меру неопределенности
какого-либо опыта, который в зависимости от случая может заканчиваться
различными исходами. При этом предполагают, что имеются определенные
вероятности появления того или иного исхода. Пусть xi, х>,..., Хп— различ-
ные исходы опыта, pi, ра... рп — соответствующие вероятности, р,- £ 0,

п

Pi = 1 • Тогда формально энтропия определяется выражением: I = I(pi, ра,
i=l

п

..., рп) = £ р; log2(l/Pi)» и она обладает следующими свойствами: 1) равна
1=1

нулю в том случае, когда одно из р,- равно единице, а остальные равны нулю,
т. е. когда исход опыта достоверен; 2) при данном п энтропия достигает
максимального значения, когда все исходы равновероятны; 3) энтропия объ-
единения двух независимых опытов равна сумме их энтропий. I является
единственной функцией от р,-, удовлетворяющей этим и еще нескольким,
столь же естественным требованиям.
формации в битах к энтропии в энтропийных единицах, не-
обходимо перейти от логарифма при основании 2 к нату-
ральному логарифму и умножить на постоянную Больцмана.
Формальное определение информации ничего не говорит нам
о том, что представляли собой исходные биомолекулы. Рас-
смотрим, например, молекулу белка, содержащую -100 ами-
нокислот. Всего в природе существует двадцать типов ами-
нокислот. Известно, что данный белок выполняет свою фи-
зиологическую функцию лишь в том случае, если расположе-
ние составляющих этот белок аминокислот вдоль цепи соот-
ветствует вполне определенному порядку. Число перестано-
вок, необходимое для получения нужного расположения ами-
нокислот из произвольного начального распределения, равно
N- 20100 - 10130.

Если каждая из 20 аминокислот с равной вероятностью
может занять любое из 100 положений, то априори могут су-
ществовать 20100 белковых последовательностей из 100 ами-
нокислот. По определению Шеннона, каждая из этих после-
довательностей обладает богатым информационным содер-
жанием. Но как же из столь невероятного разнообразия воз-
никли некоторые выделенные последовательности, сыграв-
шие особую роль в эволюции жизни?

В предыдущих параграфах при рассмотрении замкнутых
систем мы видели, что при низких температурах там возможно
образование упорядоченных структур, обладающих малой эн-
тропией. Этот принцип упорядоченности, часто называемый
как больцмановский принцип, объясняет возникновение струк-
тур типа кристаллических. Однако вероятность того, произой-
дет такая конденсация макроскопического числа молекул, при
которой возникнут не только высокоупорядоченные структуры,
характерные для жизни (макромолекулы, мембраны и др.), но и
координированное функционирование тысяч химических р^
акций, приходящихся на одну клетку, практически равна нулю?.
Пусть в рассмотренном выше примере с молекулой белка всё
возникающие конфигурации имеют одинаковую априорн^то
вероятность. В этом случае, если бы даже изменение структуры
такого исходного белка, например посредством мутаций, про-
исходило каждые 10-8 с, то для получения нужного белка dfy"
чайным образом потребовалось бы время t - 10122 с. Так КЯК
возраст Земли составляет - 1017 с, то вероятность спонтанного
. образования такого белка составила бы всего - 10-105.

Если исходным механизмом, приведшим к образованию
первых молекул-предшественниц наших биомолекул, была бы

W»'
случайность, то история жизни была бы непостижимой. Каж-
дая конкретная последовательность была бы уникальным не-
воспроизводимым событием.

При таком подходе жизнь, рассматриваемая как резуль-
тат «невероятных» начальных условий1, совместима с зако-
нами физики. Однако она не следует из этих законов, так
как законы физики не предписывают определенных началь-
ных условий. Чтобы возникло Специфическое семейство по-
следовательностей, необходимо ограничить возможности,
т. е. увеличить вероятность образования одних конкретных
последовательностей по сравнению с другими.

Согласно Пригожину, диссипативный хаос соответствует
промежуточной ситуации между чистым случаем и избыточ-
ным порядком. Сложное поведение диссипативных хаотиче-
ских систем порождает элемент неожиданности, что можно
рассматривать как предпосылку применимостй теории ин-
формации. В то же время сильно неравновесные связи суще-
ственно ограничивают разнообразие этого поведения по
сравнению с априорной равновероятностью всех возможных
режимов. Чтобы хаос играл заметную роль, необходим меха-
низм, позволяющий хаотической активности оставлять по
себе «память» в веществе. Действительно, для некоторых хи-
мических хаотических систем такой механизм был предло-
жен.

Известна роль гликолиза для энергетики живой клетки.
После открытия гликолитических колебаний выяснилось, что
вследствие их воспроизводимости эти колебания можно мо-
делировать лишь при помощи кинетических схем, соответст-
вующих диссипативным структурам. Это был первый пример
в биологии, когда можно было без каких-либо сомнений при-
знать роль временной диссипативной структуры1 2. В настоя-
щее время такие аспекты биологической активности, как ре-
гуляция клеточного деления или клеточная дифференциация
и морфогенез, успешно моделируются при помощи диссипа-
тивных структур.

Подход Брюссельской школы к изучению биологических
и других сложных систем основан на использовании концеп-
ций физики и физической химии, для которых характерна
взаимосвязь между макроскопическим уровнем описания и

1 Начальные условия можно выбирать произвольным образом, и мы их
выбрали так, что все конфигурации равновероятны.

2 Следовательно, гликолитический цикл заведомо протекает вне области
устойчивости термодинамической ветви, о которой мы говорили в преды-
дущем параграфе.
свойствами отдельных атомов, причем эта связь настолько
органична, что объяснение наблюдаемых свойств макроско-
пических систем через свойства атомов и их взаимодействия
стало предметом изучения статистической механики — от-
дельной области физики.

Все жизненные явления могут изучаться с учетом физи-
ческих законов, справедливых как в нелинейных системах,
так и в условиях сильной неравновесности. Характерной
чертой синергетического под хода Брюссельской школы явля-
ется моделирование макроскопических явлений при сущест-
венном упрощении. В этом случае для описания системы
можно ограничиться небольшим числом наблюдаемых пере-
менных, таких, как концентрации химических компонентов
клетки и температура. На этом пути открывается возмож-
ность, используя законы физики макроскопических процес-
сов, объяснить происхождение и поддержание чрезвычайно
тонкой упорядоченности, характеризующей живые существа.
Глава 4

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

4.1.	СВЕДЕНИЯ ОБ ОКРУЖАЮЩЕМ НАС МИРЕ

Очевидная внутренняя сложность живых и неживых
предметов, нас окружающих, часто приводит людей к за-
ключению о невозможности понять строение и эволюцию та-
ких больших и уникальных объектов, как Земля, Солнце или
Вселенная. Это усугубляется тем обстоятельством, что мы не
можем производить над ними какие-либо эксперименты и
видим их (даже с учетом всех нам известных наблюдений в
древности) бесконечно короткий момент времени по сравне-
нию с периодами их существования.

Сила современной науки проявляется в том, что сейчас
оказывается возможным объяснить многие свойства и осо-
бенности строения окружающего нас мира исходя из того,
что достижения фундаментальных наук одновременно про-
сты и всеобъемлющи. В природе имеются только четыре типа
фундаментальных взаимодействий и соответствующие им
поля взаимодействий. Можно сказать, что весь окружающий
нас мир и мы сами являемся полем игры этих четырех типов
взаимодействий, где, как и во всякой игре, выполняются не-
которые правила, называемые законами сохранения. Систе-
мы единиц и основные параметры, необходимые для прове-
дения количественных оценок, приведены в Приложении 1.
Первое правило в этой игре — самый фундаментальный из
этих законов, знают все — это закон сохранения энергии (см.
разделы 2.4 и 2.5).

Перечислим теперь эти взаимодействия. Прежде всего
это гравитационное взаимодействие, ответственное, в част-
ности, за то, что Земля притягивает нас к себе, Солнце при-
тягивает к себе Землю, а ближайшие к нам ~ 4-10й звезд1

1 Чем меньше звезда, тем труднее ее обнаружить и поэтому погреш-
ность в определении составляет ~ 50%. В настоящее время намного проще
определить полную массу и светимость, чем сказать, сколько звезд искупают
этот свет.
образуют связанную систему, называемую Галакти-
кой1.

Наиболее часто нам приходится иметь дело с электромаг-
нитными взаимодействиями, благодаря которым существуют
атомы и имеют место все химические процессы, протекающие
в нас и вокруг нас. Затем следуют ядерные, сильные, или, что
то же, андронные взаимодействия, ответственные за объеди-
нение протонов и нейтронов и образование ядер атомов. В от-
личие от гравитационных и электромагнитных взаимодействий
это очень короткодействующие взаимодействия, проявляю-
щиеся только на расстояниях, характерных для ядер, т. е. на
расстояниях ~10~15м. И, наконец, слабые взаимодействия, про-
являющиеся в том, что не все атомные ядра, состоящие из про-
тонов и нейтронов, являются стабильными. Протоны или ней-
троны, связанные в атомных ядрах, могут за счет слабых взаи-
модействий переходить друг в друга, образуя более стабильные t
ядра. В этом случае мы сталкиваемся с явлением радиоактив-
ности и говорим о 0-распаде. Слабые взаимодействия ответст-
венны за любые превращения, включающие нейтрино. Они —
еще более короткодействующие, чем ядерные1 2 * * * * *.

Современную модель Вселенной и общий ход процесса ее
эволюции, включая образование Земли, метут понять и сту-
денты, и аспиранты, не изучавшие глубоко физику, но же-
лающие понимать глобальные экологические проблемы. Для
этого оказывается достаточным использовать небольшой на-
бор элементарных соображений, доступных практически
всем людям, окончившим первые два курса вузов естествен-
нонаучного профиля.

1 В видимой области Вселенной насчитывается сейчас ~ 8-1010 галактик.
Галактика, в которой мы живем, называется «Млечный путь» или просто Га-
лактика, т. е. пишется с большой буквы.

2 В основе наших представлений о силах взаимодействия между эле-

ментарными частицами лежит идея обмена какими-нибудь переносчиками
этих сил. При этом радиус действия данного типа сил обратно пропорциона-
лен массе частиц, с помощью которых происходит взаимодействие. Так, на-

пример, все мы знаем, что электромагнитные силы — дальнодействующие:
два наэлектризованных предмета влияют друг на друга на огромных по

атомным масштабам расстояниях. Это дальнодействие электрических сил

связано с тем, что масса кванта электромагнитного взаимодействия (фото-

на), которым обмениваются электрические заряды, равна нулю. Слабые

взаимодействия являются даже более короткодействующими, чем ядерные,

и характерный радиус их «сферы влияния» ~ 10-‘8 * м. Следовательно, у пере-
носчиков этих сил должна быть большая масса. Действительно, переносчики
этих взаимодействий W- и z-мезоны имеют большую массу, чем п-мезоны,

ответственные за ядерные взаимодействия.
Современная космология и астрофизика позволяют с
большой долей уверенности говорить о том, как происходило
образование и формирование Вселенной в течение первых
секунд, минут и лет, вплоть до конца первого миллиона лет.
Что представляла она собой и, в первую очередь, каковы бы-
ли ее состав, плотность и температура? Экспериментальный
и наблюдательный базис для такого фантастического «бро-
ска» в прошлое, отстоящее от нас примерно на 17 млрд лет,
сформировался к началу 70-х гг. нашего столетия после от-
крытия и исследования внегалактического микроволнового
излучения, успехов в области ядерной физики и эксперимен-
тов в области физики высоких энергий. Необходимая для
первого этапа теоретическая база к тому времени уже в ос-
новном была разработана, и так называемая «стандартная
модель Вселенной» стала общепринятой. Своеобразный про-
рыв наметился в 70-х гг. и в теоретической физике. Оказа-
лось возможным построить единую теорию слабых и элек-
тромагнитных взаимодействий1 и наметить основные прин-
ципы построения теории, в которую как единое целое вошли
бы все фундаментальные взаимодействия полей — сильное,
слабое, электромагнитное и гравитационное. Успехи в созда-
нии единых теорий, в свою очередь, позволили построить
теорию сверхплотного вещества с температурой, на десятки
порядков превосходящей температуру внутри звезд. А это
привело к возможности дать описание физических процес-
сов, которые должны были идти на самых ранних стадиях
эволюции Вселенной. К середине 80-х гг. для преодоления
некоторых внутренних трудностей «стандартной модели Все-
ленной» она была усовершенствована введением «сценария
раздувающейся Вселенной» (инфляции). Инфляционная тео-
рия вобрала в себя такие достижения физики, как наруше-
ние симметрии и теорию фазовых переходов.

1 Единая теория поля (материи) призвана свести многообразие свойств
элементарных частиц и законов их взаимопревращения к неким универ-
сальным принципам. Первым примером объединения различных физиче-
ских явлений (электрических, магнитных, световых) явилась теория элек-
тромагнетизма Максвелла. Затем была сделана попытка объединения элек-
тромагнитных и гравитационных явлений на основе общей теории относи-
тельности Эйнштейна, связывающей гравитационные взаимодействия ма-
терии с геометрическими свойствами пространства-времени. Фундамен-
тальнейшим достижением науки XX в. явилось построение единой теории
слабых и электромагнитных взаимодействий (стандартной теории электро-
слабого взаимодействия). Напомним, что слабые взаимодействия, в отличие
от электромагнитных, короткодействующие, и благодаря им меняется заряд
частиц, а при электромагнитных взаимодействиях заряд ие меняется.
Согласно стандартной модели, вначале произошел Боль-
шой взрыв. Весь видимый нами звездный мир родился в не-
который момент t = 0 в состоянии с бесконечно большой тем-
пературой и плотностью энергии. Теория Большого взрыва не
объясняет расширения Вселенной. Расширение, как говорят,
было введено в теорию «руками», и было это сделано весьма
удачно, поэтому теория Большого взрыва сейчас почти столь
же надежна и верна, как то, что Земля вращается вокруг
Солнца, хотя обе эти теории имели очень много противников.

Конечно, Большой взрыв был совсем необычный взрыв
ни по его мощности, ни по характеру его протекания^
Вспомним, что обычный взрыв, например тринитротолуо-
ла, — сложного химического соединения, состоящего из во-»

дорода, углерода, азота и кислорода, — это химическая реак“

ция, вызванная нагревом в каком-то месте вещества и за
время порядка миллионной доли секунды распространяю-
щаяся на весь объем тринитротолуола. Энергия, запасенная в
тринитротолуоле, больше, чем энергия, запасенная в более

•Й

простых соединениях (СО, СО2, Н2О, Н2, N2) того же количе1-

ства атомов указанных выше элементов. Твердое вещество

превращается в горячую смесь газов при давлении ~ 2-Ю1*’

паскаль и максимальной температуре ~ несколько тысяч гра-
дусов. Затем начинается быстрое расширение этой смеси га-
зов, т. е. сам взрыв. Движущей силой является разность дав-
лений между продуктами реакции и атмосферным воздухом.

Два существенных момента являются общими для обыч-
ного взрыва (происшедшего для определенности в вакууме) и
Большого взрыва. Во-первых, продукты взрыва, расширяясь,
охлаждаются. Во-вторых, разлет образовавшихся частиц по-
сле начального периода ускорения происходит с постоянной
скоростью так, что путь R(t), пройденный каждой частицей
за время t, равен

R(t) = v -t,

и нужно, кроме того, учитывать гравитацию. Однако разли-
чия их очень существенны. Большой взрыв развивался во
времени настолько стремительно, что аналогов ему просто
нет, а энерговыделение было настолько бурным, что даже че-
рез 0,01 с (гигантский интервал времени для данного процес-
са) температура была еще порядка ста миллиардов градусов.
Это более чем в тысячу раз превосходит температуру внутри
Солнца, и при такой температуре не могут существовать не
только атомы, но даже и их ядра.
Принципиальные различия состоят в том, что Большой
взрыв произошел одновременно везде и каждая частица ма-
терии устремилась прочь от другой. В любой момент времени
плотность вещества была везде постоянна, и не существовало
никаких границ. При обычном же взрыве за пределами шара
с радиусом R(t) = v t вещества нет, а внутри него плотность
неодинакова. Кроме того, расширение Вселенной нельзя объ-
яснить различием давлений, как при обычном взрыве.

В конце 40-х гг. популярной былй также теория стационар-
ного состояния. В ее рамках нет вообще проблемы начального
состояния, так как его просто не было, а Вселенная такая, ка-
кая она есть, просто потому, что это единственный способ, при
котором она может оставаться неизменной1. Однако после-
дующие достижения астрономии и астрофизики привели к то-
му, что в настоящее время эта теория практически не исполь-
зуется. Чрезвычайно важной явилась и смелость ученых, пони-
маемая в самом хорошем смысле и связанная с применением
законов и экспериментальных зависимостей, установленных
при лабораторных исследованиях, к бесконечной Вселенной.
Оказывается возможным, оставаясь на платформе всех основ-
ных физических законов, представить начальное состояние
всей Вселенной как сжатое в точку.

4.2.	ЗАКОН ХАББЛА
И РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

На чем же покоятся наши представления о разбегании
галактик? Еще древний человек наблюдал и запоминал кар-
тину ночного неба. Довольно скоро люди хорошо изучили
расположение звезд на небосводе. Небесная сфера являлась
им образцом вечного покоя. Вращение Земли вокруг Солнца
вызывало смену времен года, а ее сопутствующее этому вра-
щение вокруг своей оси — периодическую смену дня и ночи.
Все повторялось вновь и вновь. Вселенная представлялась
неизменной (стационарной)1 2. После появления телескопов ас-

1 Согласно этой теории, Вселенная однородна и стационарна, за исклю-
чением движения звезд и планет. Слабыми местами этой теории являлись
нарушение второго закона термодинамики и невозможность решить про-
блему гравитационной нестабильности, но на это как бы закрывали глаза.
Признание ее позволяло людям считать, что Вселенная существует вечно, и
уйти от вопроса о начале.

2 Занимаясь вопросами тяготения, И. Ньютон был, по-видимому, пер-
вым, кто осознал, что если Вселенная существует вечно и она статична, т. е.
в ней нет значительного внутреннего движения, то она должна была коллап-
сировать. Коль скоро мы живем и этого не случилось, то она или должна
трономы XVII и XVIII вв. начали наблюдать на небе все боль-
ше небольших туманных пятнышек при поисках интересо-
вавших их объектов— комет. Чтобы дать удобный список
объектов, на которые не надо смотреть, охотясь за кометами,
Ш. Мессье опубликовал в 1781 г. каталог: «Туманности и
звездные скопления». До сих пор астрономы ссылаются на
103 объекта в этом каталоге по присвоенным им Мессье но-
мерам: так, туманность Андромеды стоит под номером М31,
Крабовидная туманность— Ml и т. д. Около трети объектов
были белыми туманностями довольно правильной эллиптиче-
ской формы и среди них М31. С развитием телескопов ас-
трономы нашли тысячи подобных объектов, и к концу XIX в.
у некоторых из них, в том числе у М31 и МЗЗ, были обнару-
жены рукава; но и лучшие телескопы не позволяли увидеть
там отдельные звезды, поэтому природа этих объектов была
до конца неясна.

Вероятно, И. Кант был первым, кто предположил (в
1755 г.), что некоторые из них являются галактиками, подоб-
ными нашей. Несмотря на то, что к началу XIX в. идея о том,
что Вселенная заполнена галактиками, подобными нашей,
стала распространенной, она не имела под собой достаточно
убедительной доказательной основы.

Только в 1923 г. Э. Хаббл на вновь построенном, и тогда
казавшемся гигантским, 2,5-метровом телескопе смог выде-
лить отдельные звезды в туманности Андромеды. Более того,
он обнаружил там яркие переменные звезды, светимость ко-
торых периодически изменяется так же, как у открытого
чуть раньше в нашей Галактике специфического класса
звезд— цефеид. К этому времени была уже известна связь
между периодом изменения яркости и светимостью цефеид.
Легко показать, что отношение светимости звезды (полной
мощности излучения) к видимой светимости (мощности излу-
чения, принимаемой каждым квадратным сантиметром зер-
кала телескопа) пропорционально квадрату расстояния до
звезды. Это позволило Хабблу, зная периоды изменения яр-
кости, немедленно вычислить расстояние до туманности Ан-
дромеды. По современным данным, это ~ 890 кпк. Так воз-
ник первый метод измерения межгалактических расстояний,
и очень скоро спрос на подобную информацию о расстояни-
ях до все более удаленных от нас галактик вынудил многих

быть бесконечно большой, или достаточно быстро расширяться, или иметь
начало. Ньютон решил, что она бесконечно большая.
Принципиальные различия состоят в том, что Большой
взрыв произошел одновременно везде и каждая частица ма-
терии устремилась прочь от другой. В любой момент времени
плотность вещества была везде постоянна, и не существовало
никаких границ. При обычном же взрыве за пределами шара
с радиусом R(t) = v t вещества нет, а внутри него плотность
неодинакова. Кроме того, расширение Вселенной нельзя объ-
яснить различием давлений, как при обычном взрыве.

В конце 40-х гг. популярной была также теория стационар-
ного состояния. В ее рамках нет вообще проблемы начального
состояния, так как его просто не было, а Вселенная такая, ка-
кая она есть, просто потому, что это единственный способ, прй
котором она может оставаться неизменной1. Однако после-
дующие достижения астрономии и астрофизики привели к то-
му, что в настоящее время эта теория практически не исполь-
зуется. Чрезвычайно важной явилась и смелость ученых, пони-
маемая в самом хорошем смысле и связанная с применением
законов и экспериментальных зависимостей, установленных
при лабораторных исследованиях, к бесконечной Вселенной.
Оказывается возможным, оставаясь на платформе всех основ-
ных физических законов, представить начальное состояние
всей Вселенной как сжатое в точку.

4.2.	ЗАКОН ХАББЛА
И РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

На чем же покоятся наши представления о разбегании
галактик? Еще древний человек наблюдал и запоминал кар-
тину ночного неба. Довольно скоро люди хорошо изучили
расположение звезд на небосводе. Небесная сфера являлась
им образцом вечного покоя. Вращение Земли вокруг Солнца
вызывало смену времен года, а ее сопутствующее этому вра-
щение вокруг своей оси — периодическую смену дня и ночи.
Все повторялось вновь и вновь. Вселенная представлялась
неизменной (стационарной)1 2. После появления телескопов ас-

1 Согласно этой теории, Вселенная однородна и стационарна, за исклю-
чением движения звезд и планет. Слабыми местами этой теории являлись
нарушение второго закона термодинамики и невозможность решить про-
блему гравитационной нестабильности, но на это как бы закрывали глаза.
Признание ее позволяло людям считать, что Вселенная существует вечно, и
уйти от вопроса о начале.

2 Занимаясь вопросами тяготения, И. Ньютон был, по-видимому, пер-
вым, кто осознал, что если Вселенная существует вечно и она статична, т. е.
в ней нет значительного внутреннего движения, то она должна была коллап-
сировать. Коль скоро мы живем и этого не случилось, то она или должна
трономы XVII и XVIII вв. начали наблюдать на небе все боль-
ше небольших туманных пятнышек при поисках интересо-
вавших их объектов — комет. Чтобы дать удобный список
объектов, на которые не надо смотреть, охотясь за кометами,
Ш. Мессье опубликовал в 1781 г. каталог: «Туманности и
звездные скопления». До сих пор астрономы ссылаются на
103 объекта в этом каталоге по присвоенным им Мессье но-
мерам: так, туманность Андромеды стоит под номером М31,
Крабовидная туманность— Ml и т. д. Около трети объектов
были белыми туманностями довольно правильной эллиптиче-
ской формы и среди них М31. С развитием телескопов ас-
трономы нашли тысячи подобных объектов, и к концу XIX в.
у некоторых из них, в том числе у М31 и МЗЗ, были обнару-
жены рукава; но и лучшие телескопы не позволяли увидеть
там отдельные звезды, поэтому природа этих объектов была
до конца неясна.

Вероятно, И. Кант был первым, кто предположил (в
1755 г.), что некоторые из них являются галактиками, подоб-
ными нашей. Несмотря на то, что к началу XIX в. идея о том,
что Вселенная заполнена галактиками, подобными нашей,
стала распространенной, она не имела под собой достаточно
убедительной доказательной основы.

Только в 1923 г. Э. Хаббл на вновь построенном, и тогда
казавшемся гигантским, 2,5-метровом телескопе смог выде-
лить отдельные звезды в туманности Андромеды. Более того,
он обнаружил там яркие переменные звезды, светимость ко-
торых периодически изменяется так же, как у открытого
чуть раньше в нашей Галактике специфического класса
звезд— цефеид. К этому времени была уже известна связь
между периодом изменения яркости и светимостью цефеид.
Легко показать, что отношение светимости звезды (полной
мощности излучения) к видимой светимости (мощности излу-
чения, принимаемой каждым квадратным сантиметром зер-
кала телескопа) пропорционально квадрату расстояния до
звезды. Это позволило Хабблу, зная периоды изменения яр-
кости, немедленно вычислить расстояние до туманности Ан-
дромеды. По современным данным, это ~ 890 кпк. Так воз-
ник первый метод измерения межгалактических расстояний,
и очень скоро спрос на подобную информацию о расстояни-
ях до все более удаленных от нас галактик вынудил многих

быть бесконечно большой, или достаточно быстро расширяться, или иметь
начало. Ньютон решил, что она бесконечно большая.
ученых посвятить свою деятельность созданию новых мето-
дов и измерениям этих расстояний.

Кажущаяся нам неизменность расположения звезд на
ночном небе (с учетом вращения Земли) в значительной сте-
пени основана на том обстоятельстве, что возможность изме-
рять движение звезд в направлении, перпендикулярном лучу
зрения, несравнимо более ограничена, чем в направлении
вдоль этого луча. Первое обстоятельство можно продемонст-
рировать на примере одной из самых «быстрых» звезд, из-
вестной как звезда Барнарда. Она находится от нас на рас-
стоянии ~ 6-1015 м (~ 0,2 пк) и смещается поперек луча зре-
ния со скоростью ~ 90 км сг1. За год это приводит к смеще-
нию ~ 3-1012 м, или, что то же, ее видимое положение смеща-
ется всего на ~ 10 угловых секунд1. Поперечные смещения
других звезд значительно меньше.

Смещение (а точнее, движение) вдоль луча зрения оказы-
вается достаточно удобно измерять потому, что спектр излу-
чения любой звезды является суммой двух компонентов:
сплошного непрерывного спектра и дискретного, резкие ли-
нии которого соответствуют электронным переходам, напри-
мер, электронным переходам в водороде, гелии или других
элементах. Оказалось, что положения подобных линий в
спектрографе, связанном с телескопом, который наведен на
космический объект, испускающий регистрируемое излуче-
ние, отличаются от положения подобных спектральных ли-
ний тех же элементов, измеренных на Земле в лабораториях
и принятых нами за эталон. Этот сдвиг положения спек-
тральных линий (изменение энергии, длины волны или часто-
ты) объясняется эффектом Доплера (Приложение 6). Смеще-
ние положений линий прямо пропорционально скорости от-
носительного движения источника излучения, например
звезды в наблюдаемой галактике, и детектора, в данном слу-
чае телескопа, покоящегося на поверхности Земли.

В 1868 г. У. Хаггинс, наблюдая сдвиги линий в спектрах
ярких звезд, определил с помощью эффекта Доплера скоро-
сти их движения относительно Солнца. К 1925 г. В.М. Слай-
фер проанализировал спектральные линии в спектрах 41 га-
лактики и обнаружил, что они сдвинуты в красную, а в пяти
случаях и в голубую стороны, например, в спектре от М31.
Его расчеты показали, что их скорости немного превосходят
скорости типичных объектов Галактики.

1 Радиальная скорость этой звезды составляет —100 км-сг1, т. е. она
удаляется от нас.
Хаббл сопоставил красные сдвиги спектральных линий
ближайших к нам восемнадцати галактик с расстояниями до
них, вычисленными по светимости обнаруженных там цефе-
ид. Он выступил с утверждением, что скорости большинства
галактик — v, определенные по Доплеровским сдвигам длины
волны спектральных линий — ДА, растут с увеличением рас-
стояния между галактиками — R так, что скорость возраста-
ет на 170 км-сг1 на каждый миллион световых лет расстояния
(550 км-сг1-Мпк“1)1. Число, равное отношению приращения
скорости к приращению расстояния, получило название «по-
стоянной Хаббла» — Н, а выражение для скоростей галактик
записывается с тех пор в виде:

V = HR.	(35)

Это и есть знаменитый закон Хаббла. Может показаться
странным, что все галактики удаляются от нас. Тем не менее
то, что это действительно так, легко понять с помощью рис. 17,
который основан на естественном предположении о том, что
Вселенная должна выглядеть одинаково для наблюдателей, на-
ходящихся на различных галактиках. Это утверждение носит
название Космологического принципа1 2. Предположим, что мы
находимся в некоторой галактике А (см. рис. 17, а) и смотрим, с
какими скоростями удаляются от нас соседние галактики. Как
видно из рисунка, длина вектора скорости увеличивается про-
порционально расстоянию до удаляющейся галактики. Теперь
предположим, что мы рассматриваем Вселенную из галактики
В. Как непосредственно следует из рис. 17, б, наблюдатель
фиксирует то же самое распределение скоростей галактик, ко-
торое он видел, находясь в галактике А.	>'

Это, по сути дела, и есть наглядная демонстрация Космо-
логического принципа, а Хаббл просто экспериментально его
подтвердил. Конечно, этот принцип может быть справедли-
вым, только если мы рассматриваем Вселенную в масштабе,
большем, чем расстояния между скоплениями галактик3.

1 В десять раз больше современного значения постоянной Хаббла.

2 Космологический принцип — это гипотеза о том, что Вселенная одно-
родна, т. е. все возможные наблюдатели в любой из галактик должны видеть
подобную картину Вселенной, и, кроме того, она изотропна, т. е. при наблю-
дениях в различных направлениях мы также видим подобные картины. Все
это согласуется с основной идеей Н. Коперника о том, что мы не находимся
в центре мироздания. В то же время Вселенная, конечно, может изменяться
во времени.

3 По мере накопления данных о строении космоса представления о
масштабах расстояний, при которых начинает действовать Космологиче-
ский принцип, менялись. Более того, появляются данные, которые трудно
Рис. 17. Схематическое представление уда-
ления галактик друг от друга так, как это пред-
ставляется наблюдателю: а— находящемуся в
галактике А; б — в соседней галактике В

По мере совершенствования наблюдательных методов в
астрономии ученые начали получать значения красных сме-
щений для объектов, находящихся на расстоянии порядка
~ 5 Гпк, однако точности измерения расстояний до таких ис-
точников излучения не очень высоки. Трудности определений
значения постоянной Хаббла с помощью эффекта Доплера
связаны в первую очередь с определением расстояния до та-
ких объектов, которое осуществляется через много промежу-
точных этапов. Отметим, что такие объекты удаляются от
нас со скоростью, близкой к скорости света.

Что же касается относительно близких к нам галактик, то
ситуация с ними также непростая. Значения сдвигов для
ближайших к нам галактик не очень хорошо ложатся на
прямо пропорциональную зависимость. Это обусловлено тем,
что значения скорости, определяющей каждый из таких
сдвигов, являются результатом сложения нескольких скоро-
стей: скорости движения Земли вокруг Солнца, скорости
движения солнечной системы внутри Галактики, скорости
движения Галактики внутри скопления галактик, называе-
мого Местной группой, в которую она входит, и скоростью
движения всей Местной группы. Значения постоянной Хабб-
ла, даваемые в справочниках, лежат внутри достаточно ши-
рокого интервала, например, приводится следующее значе-
ние Н- 100-h кмт’-Мпг1, где 0,5 <, h<. 0,9. Нужно помнить,
что, измеряя сдвиги от очень удаленных объектов, мы видим
результат, соответствующий тем скоростям, которые имели
эти объекты очень давно, когда, к тому же, и физические ус-

совместить с этим принципом. Тем не менее он продолжает оставаться пока
фундаментальным принципом в космологии.
ловия во Вселенной были другими. Коль скоро мы знаем ско-
рости галактик v в настоящий момент, то возникает вопрос:
нельзя ли что-либо сказать о траекториях их движения, т. е.
описать движение их в пространстве и времени? Для этого
нам необходимо знать, помимо скорости галактик, и испы-
тываемое ими ускорение.

Для нахождения ускорения рассмотрим изображенную
на рис. 18 большую сферу радиуса R, внутри которой нахо-
дится так много галактик, что распределение вещества в ней,
как и во Вселенной, можно считать однородным. Для анализа
поля тяготения такого шара, пока его радиус ограничен, мо-
жет быть применена теория тяготения Ньютона. Допустим,

Рис. 18. К оценке силы притя-
жения галактики А к галактике, на-
ходящейся в точке О на расстоянии
от нее, равном R. Точками изобра-
жены другие галактики, а— уско-
рение

что наблюдатель находится в галактике, расположенной в
центре этого шара О, и ему необходимо вычислить ускоре-
ние, которое испытывает галактика А. Согласно второму за-
кону Ньютона, видимое нашим наблюдателем ускорение а,
которое будет испытывать галактика А (двигающаяся отно-
сительно него со скоростью v = HR), равно силе притяжения
ее всем веществом в шаре радиусом R, деленной на массу

этой галактики т, т. е.

GM п

а =---j-. Знак ускорения соответст-

R

вует притяжению этой галактики ко всем галактикам, нахо-
дящимся внутри шара радиуса R, или, что то же, уменьше-
нию скорости удаления галактики А от наблюдателя.

Это и говорит о том, что Вселенная нестационарна, и если
бы на мгновение галактики остановились, то в следующее
мгновение они начали бы сближаться. Если галактики удаляют-
ся или сближаются, то и средняя плотность вещества во Все-
ленной должна также непрерывно изменяться. Именно это и
показал в 20-х гг. XX в. А.А. Фридман, нанеся сокрушительный
удар по господствовавшим тогда взглядам на стационарность и
неизменность Вселенной. На основе ОТО он создал теорию од-
нородной и изотропной расширяющейся Вселенной, метрику
которой можно записать в виде

d2s = dt2 - R2(t) (dr2/(l - kr2) + r (d62 + sin26 dcp2)),	(36)

где к = ±1 или О для замкнутой, открытой и плоской Вселен-

ной; fl(t) — фундаментальная длина, устанавливающая мас-
штаб в данной геометрии. При к = 1 метрику, т. е. уравне-
ние, задающее квадрат расстояния между бесконечно близ-
кими точками, можно представить в виде: d2s = dt2 - /? 2(t)
(dx2 + dt;2 + dz2).1

Отметим, что если полную массу шара выразить через

среднюю плотность вещества р внутри него, то ускорение,

как и скорость, оказывается пропорциональным расстоянию

между галактиками:

а =----nGp К. Так как пропорциональ-

ность между скоростью и расстоянием, а также ускорением и
расстоянием, одинакова для всех галактик в данный момент,
то эта пропорциональность была и в предшествующий мо-
мент времени, и будет в последующем. Скорости разбегания
галактик в модели Фридмана оказываются всегда пропор-
циональными расстоянию, но коэффициент пропорциональ-
ности меняется со временем.

Зависимость расстояния между двумя галактиками от
времени представлена на рис. 19 сплошной линией. Сего-
дняшний момент времени обозначен через t. Если на рисунке
одновременно представить пунктирными линиями траекто-
рии галактик, находившихся в момент времени t ближе от
наблюдателя и дальше, чем галактика А, то оказывается, что
все кривые пересекают временную ось в одной точке. Иными
словами, из простейших рассмотрений получается, что в
прошлом они все были в одной точке. Эта точка соответству-

1 При искривленном пространстве (к = ±1) фактор R (fl равен радиусу
кривизны пространства и является естественным масштабом для измерения
всех длин. Величину Сс = к/а2 называют (гауссовой) кривизной пространст-
ва. В случае евклидова пространства (к = О) радиус кривизны равен беско-
нечности, выделенного масштаба нет, и R (fl — произвольный масштабный
множитель, определенный с точностью до численной константы, не завися-
щей от времени. Независимо от типа модели в момент времени t = О мас-
штабный фактор R (fl обращается в нуль, а плотность вещества становится
бесконечной. Момент t = О называется точкой начальной космологической
сингулярности.
ет началу расширения Вселенной, а время, прошедшее с тех
пор, равно t.

Если пренебречь влиянием тяготения на замедление ско-
рости разбегания галактик, то траектории на рис. 19 оказы-
ваются прямыми линиями, и время — t, прошедшее с момен-
та начала расширения, определяется только постоянной

Рис. 19. Зависимости расстояний
между галактиками от времени: t —
настоящий момент времени; сплош-
ная линия— траектория движения
галактики А; штрих-пунктирная кри-
вая — траектория движения галакти-
ки, находившейся в момент времени t
на расстоянии > R от галактики А;'
пунктирные кривые — то же для рас-
стояний < R.

Хаббла. Мы примем, в качестве наиболее вероятного, значе-
ние Н ~ 57 км с-1-Мпк'1, что дает для обратной величины, ко-
торую называют временем Хаббла

л 1 1

to » -»----------:------г-

Н 57  км • с 1 • Мпк 1

-17 млрд лет.

Время Хаббла часто выступает в качестве возраста Все-
ленной, однако необходимо помнить, что оно получено в
рамках максимально упрощенного для наглядности подхода.
Имеются и другие независимые методы оценки возраста
Вселенной. Так, в случае с нашей Галактикой из анализа от-
носительного содержания радиоактивных изотопов, напри-
мер 235U и 238U, а также из расчета эволюции звезд получает-
ся, что ее возраст должен быть не менее 15 млрд лет.

Разбегание галактик происходит с замедлением ввиду на-
личия тяготения, и возникает вопрос: будет ли такое разбегание
всегда или когда-нибудь гравитация победит, галактики на
мгновение остановятся и затем начнут бег вспять. Понять си-
туацию можно, если вернуться к рис. 19. Вопрос сводится к
тому, что, если галактика А обладает скоростью v, то будет ли ее
достаточно, чтобы эта галактика непрерывно удалялась от га-
лактик, находящихся внутри шара радиусом ?
Движение любой типичной галактики в модели Фридма-
на напоминает движение камня, брошенного вверх с по-
верхности Земли. Если камень брошен с достаточно большой
скоростью (или масса Земли достаточно мала), то камень, по-
степенно замедляясь, сможет тем не менее улететь в беско-
нечность. Это соответствует случаю, когда средняя плотность
вещества внутри рассматриваемой сферы радиусом 7? мень-
ше некоторого критического значения. Таким образом, чтобы
галактика А непрерывно удалялась от галактик, находящихся
внутри шара радиусом R, необходимо, чтобы скорость такой
галактики превосходила вторую космическую скорость:

_	_	/2GM _ г, /вл х-ч

Vesc -	•

Таким образом, скорость Хаббла, как и вторая космиче-
ская скорость, пропорциональна радиусу сферы, т. е. рас-
стоянию до нас. Следовательно, отношение скорости отрыва
к действительной скорости галактики не зависит от того, ка-
кую галактику считать за центральную. Все галактики рав-
ноправны, и поэтому в рамках такой картины в зависимости
от значений Нир все галактики будут удаляться друг от дру-
га, если они имеют скорость, большую скорости отрыва v >
Vesc, или когда-то начнут сближаться, если vesc > v.

Для того чтобы делать заключения в рамках такой моде-
ли о будущей судьбе Вселенной, удобно ввести понятие кри-
тической плотности:

Pcr=££L-> Т. е.	(37)

Р 8nG	'

такой плотности, при которой Vesc = v, и расширение когда-то
прекратится. Для использованного нами значения Н =
57 км-сг1-Mme1 критическая плотность оказывается равной
per ~ б-IO27 кг-м~3, или ~ 3 атома водорода на 1 м3 простран-
ства. Анализ распределения вещества во Вселенной и его
плотность будут рассмотрены нами в 4.11, когда будем гово-
рить о крупномасштабной структуре Вселенной.

4.3.	РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Несмотря на убедительность вышеприведенных доводов
о расширении Вселенной и, следовательно, ее нестационар-
ности, многие астрономы продолжали придерживаться тео-
рии стационарного состояния. Они не оспаривали факта
красного смещения спектральных линий, а просто пытались
его интерпретировать другими способами, не имеющими под
собой достаточной научной базы. Необходимо было какое-то
совершенно иное открытие, чтобы развеять скепсис этих
ученых. Таким открытием стало обнаружение реликтового
(микроволнового) излучения в 1966 г.

Используя результаты исследований в областях ядерной
физики, термоядерного синтеза и физики частиц высоких
энергий, Г. Гамов и его коллеги в конце сороковых годов, пы-
таясь объяснить элементный состав окружающего нас мира,
разработали теорию нуклеосинтеза, исходным моментом ко-
торой было так называемое горячее начало. Многие ученые
стали развивать эту теорию. Выло показано, что Вселенная
состоит в основном из водорода, и даны оценки относитель-
ного содержания других элементов. Результат сравнения
расчетной концентрации с наблюдаемой был удовлетвориг
тельным, и это уже само по себе было хорошим подтвержде-
нием теории нестационарности Вселенной. Получить оценки
элементного состава в рамках стационарной теории было Не-
возможно.

Несколько позже, исходя из того, что вещество ранней
Вселенной было горячим, Гамов предсказал, что фотоны, ко-
торые находились тогда в термодинамическом равновесии с
веществом, и соответствовали излучению черного телд при
очень высокой температуре, должны сохраниться в совре-
менную эпоху. В связи с расширением Вселенной эффектив-
ная температура этого излучения (Приложение 5) должна по-
низиться к настоящему времени до ~ 10 К. К сожалению, это
предсказание невидимого оптическими методами реликтово-
го излучения осталось для большинства ученых незамечен-
ным. Модель «Большого взрыва» изменялась и совершенство-
валась, появились различные ее модификации, но экспери-
ментаторы не обращали внимания на то, что из наблюдаемой
распространенности водорода и гелия однозначно следовало
и существование фона реликтового космического излучения,
которое стало самостоятельным фактором на заключительной
стадии Большого взрыва, когда протоны и ядра атомов гелия
присоединили к себе электроны и стали атомами.

В 1964 г. А.А. Пензис и Р.Б. Вильсон с помощью только
что введенной в эксплуатацию радиоантенны, имевшей от-
ражатель со сверхнизким уровнем шума, предприняли По-
пытку исследовать радиошумы нашей Галактики, т. е. элек-
тромагнитное излучение «от самого неба». Задача эта. была
чрезвычайно сложной технически, но в конечном итоге из-
мерения были выполнены. К своему удивлению они обнару-
жили заметную интенсивность излучения на радиоволнах
длиной 7,35 см (радиоизлучение длиной до 1 м называют
микроволновым излучением), которая не зависела от ориен-
тации антенны, от времени суток и даже от времени года.
Очень скоро удалось доказать, что это внегалактическое из-
лучение, т. е. оно заполняет все пространство Вселенной рав-
номерно. Интенсивные исследования к 1976 г. окончательно
показали, что ученым удалось наблюдать «тусклый остаток
Большого взрыва», температура излучения которого понизи-
лась до ~ 3 К1.

Максимум интенсивности излучения черного тела при
эффективной температуре Treff~ 3 К находится при ктах ~ 0,2
см, т. е. достаточно далеко от радиоволн длиной 7,35 см,
только на регистрацию которых была настроена радиоантен-
на Пензиса и Вильсона. В течение более 10 лет препятствием
для измерений служило то обстоятельство, что наша атмо-
сфера не пропускает излучения с длинами волн, меньшими ~
0,3 см. В настоящее время эти трудности успешно преодоле-
ны, и результаты измерений представлены на рис. 20. Мас-
штаб по оси ординат логарифмический, поэтому очевидно,
что интенсивность реликтового излучения доминирует.

Так как микроволновое излучение осталось от периода,
когда Вселенная была в состоянии теплового равновесия, то
перед учеными открылись возможности определить характе-
ристики Вселенной того периода. В первую очередь упомя-
нем об определении важного для стандартной модели пара-
метра — отношения числа фотонов к числу нуклонов во Все-
ленной. Это отношение рассматривается сегодня в качестве
одного из фундаментальных космологических параметров и
обозначается через S. Плотность энтропии теплового излуче-
ния пропорциональна плотности фотонов, поэтому Sявляется
также и мерой энтропии на один протон во Вселенной. Часто
этот параметр называют просто энтропией Вселенной. С того
момента, когда фотоны перестали интенсивно взаимодейст-
вовать с веществом, число фотонов и ядерных частиц во
Вселенной остается почти неизменным.

Фотоны испускаются, конечно, и звездами. Энергия этих
фотонов в среднем значительно больше энергии реликтовых
фотонов. Однако за все время существования Вселенной в

1 Согласно современным измерениям, эффективная температура излу-
чения T'eff = (2,728 ± 0,003) К. Для простоты в тексте мы будем приводить
ТГеД-ЗК.
звездах было испущено не более чем 10 фотонов на одну
ядерную частицу. Следовательно, полное число фотонов, из-
лученных звездами, в десятки миллионов раз меньше числа
фотонов первичного теплового излучения. Плотность энергии
излучения звездного происхождения на много порядков
меньше, чем плотность энергии реликтового излучения (рис
20).

Длина волны

Рис. 20. Спектр излучения «неба» в диапазо-
не от длинноволнового радиоизлучения до ульт-
рафиолетового излучения

Если бы значение S было в миллион раз больше указанно-
го выше значения, то температура космического пространст-
ва сегодня была бы выше точки кипения воды. Вода в жид-
ком состоянии не могла бы существовать во Вселенной до тех
пор, пока космологическое расширение значительно не пони-
зило бы температуру фонового излучения. На это потребова-
лось бы несколько времен Хаббла, а за этот период большин-
ство звезд типа Солнца закончили бы свое существование
(если бы они вообще смогли образоваться). Особенно крити-
чески зависят от этого параметра элементный и изотопный
состав и эволюция вещества во Вселенной. Хорошее согласие
наблюдаемого содержания малораспространенных легких
элементов в зависимости от S с расчетными их концентра-
циями для S = 109 является аргументом в пользу данного
значения энтропии Вселенной.
Открытие реликтового излучения явилось полным пора-
жением теории стационарного состояния. Ведущей стала мо-
дель Большого взрыва. Вполне может быть, что в будущем
под влиянием новых открытий стандартная модель будет из-
меняться. Но то, что возврата к теории стационарного со-
стояния нет, признали даже наиболее активные привержен-
цы этой теории. То, что все галактики удаляются от нас,
представляет собой столь же основательное изменение пред-
ставлений об окружающем нас мире, как и в свое время идеи
Коперника. До того момента, пока идея расширяющейся
Вселенной не завоевала общего признания, картина статиче-
ской Вселенной была так же общепринята, как в XV в. мо-
дель геоцентрической Вселенной. В действительности, даже
Хаббл вначале интерпретировал свои данные как доказатель-
ство статической Вселенной. Он считал, что они подтвер-
ждают теоретические выводы нидерландского астронома
В. де Ситтера, который нашел статическое решение уравне-
ний общей теории относительности Эйнштейна.

Несмотря на то, что информация по Доплеровским сдви-
гам постоянно улучшается, корреляции между расстояниями
и красными смещениями для близких галактик были и оста-
ются плохими. Это определяется тем, что галактики сами мо-
гут обладать дополнительными скоростями, которые приво-
дят к нарушению закона Хаббла. Наряду с общим однород-
ным расширением пространства, благодаря которому галак-
тики удаляются друг от друга, они имеют собственные дви-
жения, («пекулярные» скорости, дополнительные к общему
расширению Вселенной), изучая которые можно проникнуть
в тайны структуры космоса. Именно эти движения и нару-
шают вышеупомянутые корреляции, поскольку скорости
Хаббла близких галактик относительно малы.

Силы гравитации неоднородно распределенного вещества
также могут влиять на корреляции между расстояниями и
красными смещениями для галактик. Обнаружение такого эф-
фекта имело бы большое космологическое значение. Сравнивая
темп расширения Вселенной в прошлом, рассчитанный по на-
блюдению далеких квазаров, с современным темпом ее расши-
рения, рассчитанным по не так удаленным галактикам (т. е.
наклон кривых на рис. 19 в разные моменты времени), в прин-
ципе можно определить, будет ли Вселенная неограниченно
продолжать расширяться, или расширение замедлится и Все-
ленная начнет сжиматься. После вывода больших телескопов в
околоземное космическое пространство такая задача встала на
повестку дня современной астрономии.
В результате доведения точности измерения эквивалентной
температуры микроволнового излучения до величины ~ 0,1%
была определена пекулярная скорость нашей Галактики отно-
сительно космического фонового излучения, сохранившегося от
Большого взрыва, т. е. появилась абсолютная система отсчета.

Установлено, что Солнечная система движется со скоро-
стью ~ 400 км-сг1 по отношению к микроволновому излучению.
В то же время она вращается вокруг центра Млечного пути, ко-
торый, в свою очередь, движется со скоростью ~ 270 км-с*1 к
галактике Туманность Андромеды. После учета всех этих дви-
жений оказывается, что Местная группа (в которую входит
Млечный Путь) движется в пространстве со скоростью ~ 600
км-с-1 . Направление ее движения перпендикулярно линии, со-
единяющей Солнечную систему с центром Галактики, и проти-
воположно направлению галактического вращения, причем оно
на 27° отклоняется от галактической плоскости. Впервые было
измерено «абсолютное» движение: движение Местной группы
относительно Вселенной в целом.1

4.4.	ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА-РЕССЕЛА

Последняя группа сведений об окружающем нас Мире,
которая необходима для понимания эволюции Вселенной,
связана с характеристиками звезд и их эволюцией. Значения
некоторых параметров, характеризующих Солнце, приведе-
ны в Приложении 3. Масса — М>, светимость — L@ и некото-
рые другие параметры Солнца часто используются в качест-
ве единиц измерений и обычно снабжаются индексом — о. (.

До недавнего времени основу астрономических наблюде-
ний составляли определения цвета и светимости звезд (энер-
гии, которую звезды излучают в единицу времени). Эти из-
мерения относительно просты и чрезвычайно важны, по-
скольку цвет и светимость, по существу, выражают физиче-
ские условия в звездах. Цвет является функцией температу-
ры излучающей области— TeffY с повышением температуры
цвет изменяется от красного до белого и голубого (формула
П6). Светимость звезды может отражать ее размер: очевидно,
что большой костер ярче, чем маленький.

1 Иногда говорят, что единственным обнаруженным пока систематиче-
ским движением, дополнительным к хаббловскому, является движение га-
лактик Местной группы в направлении скопления галактик в Деве со скоро-
стью - 610 км-с-‘.
После того, как результаты измерений яркости исправле-
ны с учетом расстояния до звезд, их можно нанести на гра-
фик. В нашем распоряжении оказывается диаграмма, пред-
ставляющая собой зависимость светимости звезд— L — от
эффективной температуры — Teff. Это и есть самая важная в
астрофизике диаграмма— диаграмма Герцшпрунга-Рессела
(Г-Р диаграмма). Если нам удалось нанести какую-нибудь
звезду на эту диаграмму, то мы можем получить довольно
много информации о ней.

Заметим, что цвет звезды не зависит от расстояния до
нее и методика определения цвета, а следовательно, и эф-
фективной температуры звезды сейчас хорошо отработана.1
Более того, даже невооруженным глазом можно увидеть, что
Сириус А, главная звезда в системе из двух звезд Сириус, —
голубовато-белая, а звезда Бетельгейзе — самая большая в
созвездии Орион — красная1 2 * и, следовательно, это достаточ-
но холодная звезда. Намного сложнее определить светимость
звезды. В настоящее время астрономы измерили расстояния
до многих звезд в нашей Галактике, и это позволило им най-
ти светимость этих звезд и нанести полученные значения на
диаграмму. Если такие пары параметров известны для боль-
шого числа звезд, то возникает вопрос: существуют ли про-
извольные комбинации параметров светимость— темпера-
тура или между ними имеется определенная связь.

Получить информацию для ответа на этот вопрос и на
другие вопросы, связанные с эволюцией звезд, и позволяет
диаграмма Герцшпрунга-Рессела, представленная на рис.
21, а для звезд, расположенных ближе 100 световых лет от
нас, и расстояние до которых определить, как правило, легче,
чем до далеких звезд.

Анализ этой диаграммы показывает, что большинство
звезд лежит на так называемой главной последовательности,
т. е. в пределах полосы, пересекающей диаграмму из левого
верхнего угла, где расположены «голубые» звезды с большой
светимостью, например Спика с массой ~ 10 М> и эффектив-
ной температурой ~1,8104 К, в правый нижний угол, где на-
ходятся тусклые звезды красного цвета. Около 90% звезд ле-
жат в пределах этой полосы. Иногда говорят, что главная по-

1 Сейчас для звезд определяется по соотношению интенсивностей
спектральных линий с точностью 20+50 К.

2 Температура первой - 9500 К, а второй - 3000 К. На расстоянии до

2 кпк от нас самой яркой звездой является Ригель (а-Ориона), а самой боль-

шой— Бетельгейзе (Р-Ориона).
следовательность— это геометрическое место точек распо-
ложения «нормальных» звезд с водородным циклом, т. е.
звезд, светимость (энерговыделение) которых обусловлена
синтезом гелия из водорода. Солнце находится на этой по-
следовательности. Ни температура, ни размер Солнца не дос-
тигают крайних значений, и поэтому ясно, что Солнце — до-
вольно типичная звезда.

Рис. 21. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: а — для звезд, уда-
ленных от нас не более чем на 100 световых лет, б — схематиче-
ское ее представление (в виде линии) для звезд с известной массой
и одинаковым химическим составом, в которых протекает водо-
родный цикл.

Так как излучение с единицы поверхности тела пропор-
ционально четвертой степени его температуры, то гигантская
светимость звезды Бетельгейзе обусловлена только ее огром-
ным размером1. Звезда Бетельгейзе со светимостью > 105 I©
может быть расположена в правом верхнем углу рис. 21, а. В
то же время для Сириуса В, имеющего температуру ~ 2,2-104
К, излучение с единицы поверхности примерно в 170 раз
больше, чем у Солнца, и его очень маленькая светимость мо-
жет быть обусловлена только его крайне малым размером.
Действительно, известно, что он — белый карлик.

1 Под поверхностью звезды (протозвезды) мы будем подразумевать ее
фотосферу, толщина которой намного меньше ее радиуса. Светимость с
единицы поверхности звезды Бетельгейзе в (5800/3000)4, т. е. в -14 раз
меньше, чем у Солнца.
Для многих звезд главной последовательности удалось
определить их массу, например, по движению спутника. Та-
ким образом, было получено, что масса Сириуса А оказыва-
ется примерно в 2,3 раза больше массы Солнца, а масса Си-
риуса В примерно равна солнечной. На рис. 21, б на главной
последовательности указаны массы тех звезд, для которых
такие определения удалось сделать.

Канадой точке на главной последовательности, представ-
ленной на рис. 21, б, соответствует звезда с вполне опреде-
ленной массой. Если мысленно двигаться по главной после-
довательности справа налево, то масса обнаруживаемых на
ней звезд непрерывно возрастает. Но при этом возрастает и
их светимость. Следовательно, с помощью Г-Р диаграммы
можно определить массу звезд, находящихся на главной по-
следовательности, по их светимости. Более того, мы можем
получить и другие весьма ценные данные о таких звездах. В
то же время массу звезды Бетельгейзе или Сириуса В, т. е.
звезд, не находящихся в пределах полосы главной последова-
тельности,\ по их светимостям можно определить только с
большой ошибкой. Дальнейший анализ следствий, получае-
мых из Г-Р диаграмм, отложим до раздела, посвященного
эволюции звезд, а теперь мы уже знаем достаточно для того,
чтобы попытаться нарисовать картину происхождения Все-
ленной, галактик и нашей Солнечной системы.

4.5.	ПРОЦЕССЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭВОЛЮЦИЮ ВСЕЛЕННОЙ

Согласно рис. 20, существовало состояние с огромной плот-
ностью вещества. Это состояние в момент t = 0 настолько не-
привычно и необъяснимо с традиционных позиций, что ему да-
ли название «сингулярность»— особенность. Огромный огнен-
ный шар, состоящий из сверхплотного вещества, расширялся,
остывал, и те частицы, которые не успели сгореть или, наобо-
рот, родились в этом пламени, дали начало всему тому вещест-
ву, из которого состоят сейчас звезды и планеты. Наблюдаемое
сегодня реликтовое излучение является как бы отблеском огня,
сиявшего в первые моменты существования Вселенной.

Естественно возникают вопросы: какие процессы проис-
ходили в таком сверхплотном веществе, почему Вселенная
начала расширяться и, в первую очередь что же было до это-
го момента? Как это ни покажется удивительным сегодня,
ответить на первые два вопроса со значительной степенью
достоверности возможно. Что касается вопроса о начале, то
это, бесспорно, очень сложный и в значительной мере фило-
софский вопрос. К ответу на него возможны разные подхо-
ды. Отметим два из них. Во-первых, не исключено, что сей-
час плотность вещества во Вселенной больше критической. В
этом случае можно предположить, что теперешний процесс
расширения начался в конце предыдущего периода сжатия,
когда плотность вещества достигла некоторого критического,
но все же конечного значения. Во-вторых, вполне возможно,
что начало было, и говорить о времени до этого начала про-
сто не имеет смысла так же, например, как бессмысленно го-
ворить об охлаждении тела до температуры ниже О К. Мы не
можем иметь меньше теплоты, чем полное ее отсутствие!

Мы будем придерживаться второй альтернативы и счи-
тать, что начало было. Заметим также, что процессы, проте-
кавшие вблизи сингулярности, представляют отнюдь не
только академический интерес. Дело в том, что эти процессы
обусловливают последующую эволюцию окружающего нас
мира. Химический состав нашей Вселенной зависит от темпа
расширения вблизи сингулярности и, следовательно, несет
информацию о происходивших тогда событиях. Это и подоб-
ные ему обстоятельства позволяют шаг за шагом восстанав-
ливать процесс рождения Вселенной. Картина современного
мира с галактиками, звездами, планетами и, наконец, с жиз-
нью, которую мы видим с вами сегодня, определяется, среди
всего прочего, и начальной стадией эволюции Вселенной.
Вряд ли у кого-нибудь может возникнуть сомнение в важно-
сти понимания происхождения таких объектов, как Земля,
жизнь и биосфера, если мы хотим правильно понимать пути
их будущей эволюции. Особо следует подчеркнуть зависи-
мость биосферы и самого явления жизни от элементного со-
става той среды, где они зародились и существуют.

Вполне вероятно, что ранние стадии расширения Вселен-
ной протекали не так однородно, как это следует из модели
Фридмана. Эта модель перестает работать вблизи точки сингу-
лярности, так как лежащая в ее основе теория тяготения Эйн-
штейна — не квантовая теория, и она не может бьгть использо-
вана для описания эффектов, связанных с квантованием, в
масштабах всей Вселенной. Требуется более общая теория, и
ситуация оказывается аналогична той, которая возникла в на-
чале нашего века, когда для описания свойств атомов и атом-
ных ядер классическая механика оказалась бессильной и была
создана более универсальная отрасль науки — квантовая меха-
ника. Сейчас мы понимаем, что в первые мгновения образова-
ния Вселенной, вероятно, одновременно имели место: движе-
ние с околосветовыми скоростями, сверхсильные гравитацион-
ные поля, а размеры объектов были экстремально малые. Со-
временная квантовая механика не исключает возникновения
квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности.

Из квантовой гравитации следует возможность квантово-
го рождения Вселенной, т. е. ее создание как бы из ничего. В
этом случае очень существенными оказываются следующие
два положения:

1)	рождение Вселенной не нарушает закона сохранения
энергии, так как общая энергия закрытого мира равна нулю;

2)	родившаяся Вселенная могла вначале содержать оди-
наковое количество частиц и античастиц, а затем, в ходе ее
эволюции, мог возникнуть избыток частиц.

Строго говоря, квантовое рождение Вселенной не дока-
зано, но в то же время нет законов, которые запрещали бы
«рождение из ничего». Смысл того, что полная энергия Все-
ленной равна нулю, в рамках такой теории заключается в
том, что сумма положительных энергий всего вещества в
точности компенсируется отрицательной энергией гравита-
ционного взаимодействия.

В какой момент и при каких параметрах вещества необхо-
димо воспользоваться квантовой теорией тяготения? Для отве-
та возьмем формальный математический аппарат— теорию
размерностей. Она позволяет оценить характерные параметры
процесса, имея только самые общие представления о нем, на-
пример, от каких общих явлений зависит данный процесс. Оп-
ределим вначале ту характерную длину — 1Р, на которой одно-
временно существенны следующие явления: тяготение, кванто-
вание и релятивизм (т. е. скорости процессов порядка скорости
света). Эти три явления описываются гравитационной посто-
янной G, постоянной Планка h и скоростью света с. Согласно
теории размерностей, именно из этих трех констант, возведен-
ных в некоторые степени, необходимо составить произведение
так, чтобы оно имело размерность длины. Это можно сделать
только одним способом, и мы получаем параметр — 1Р, который
называют Планковской длиной:

Zp = (Gft/c3)1/2 ~ 1,61О-35 м.

Итак, квантовые эффекты гравитации оказываются суще-
ственными до расстояний порядка 10-35 м. Оставаясь в рамках
теории размерностей, не представляет никакого труда оценить,
в какой момент времени tp после начала расширения бесконеч-
но малый объект расширился до размеров порядка 1Р. Для этого
достаточно 1Р просто разделить на максимальную скорость рас-
пространения сигналов— с tp ^(Ghl&yi2 ~ 5,4-КУ44 с. Время tp
называют Планковским временем. Таким образом, из общетео-
ретических соображений мы оценили, на каких расстояниях и
временных интервалах будут, вероятно, проявляться эффекты
квантовой гравитации. К сожалению, экспериментально эти
эффекты мы проверить не можем, так как наименьшие време-
на и расстояния, с которыми ученые имеют сегодня дело при
изучении микромира в ядерной физике, — это ядерное время
tN~ IO23 с и расстояние In ~ 10~15 м, которые несоизмеримо
больше, чем tp и 1Р.

Теория размерностей дает и плотность материи — рр, ко-
торая была через время tp после точки сингулярности: рр ~
1096 кг-м*3. Необходимо отметить, что масса одной такой ги-
потетической квантовой области (Планковская масса), не-
смотря на огромную1 плотность вещества в ней, очень ма-
ленькая — тр = (hc/G)V2 - 10"8 кг.

Путем подобных рассуждений мы можем установить связь
между температурой и плотностью вещества в момент сингу-
лярности. Для этого необходимо также воспользоваться уста-
новленной А. Эйнштейном связью между массой т и полной
энергией Е тела, с одной стороны, и законом Стефана-
Больцмана, с другой стороны (Приложения 5 и 7). Оказывается,
что для того, чтобы плотность черного тела была рр, оно должно
иметь температуру - 1032 К. Мы получили, таким образом,
оценки всех основных величин, характеризующих состояние
материи в момент Большого Взрыва. Теперь для анализа про-
цесса эволюции Вселенной нам необходимо следующее:

1)	решить, как (с помощью какого из известных нам за-
конов) описывать поведение вещества, возникшего при
Большом взрыве;

2)	сделать определенные предположения о начальных ус-
ловиях и посмотреть, к каким следствиям приводит сегодня
наш выбор начальных условий;

3)	решить, за какими свойствами Вселенной мы будем
следить для того, чтобы достаточно полно и наглядно наблю-
дать за ее эволюцией;

4)	получить выражения, описывающие поведение во
времени как указанных выше параметров, так и других, не-
обходимых нам для полноты картины;

1 Пытаться говорить о больших плотностях не следует просто потому,
что квантово-гравитационные эффекты при р > рр делают обычные методы
описания «пространства-времени» неприменимыми.
I

5)	и, наконец, желательно теоретически получить величи-
ны тех основных параметров, характеризующих нашу Все-
ленную в какой-нибудь из начальных моментов ее существо-
вания, значения которых мы знаем сегодня из наблюдений.

Первые три положения мы рассмотрим в этом разделе. Во-
первых, обратим внимание на то, что установленные к настоя-
щему времени физические законы хорошо проверены при
плотностях порядка ядерной плотности pn ~ 1017 кгм~3. До при-
мерно таких плотностей мы можем продолжить решение
Фридмана. При плотностях порядка рп все процессы взаимного
превращения частиц происходят намного быстрее, чем меняет-
ся плотность вещества в процессе расширения. Иными слова-
ми, все реакции взаимных превращений успевают произойти,
пока условия существенно не изменились. Это очень напомина-
ет нам «тепловое равновесие», подробно рассмотренное выше и
позволяющее рассчитать свойства такой системы. На каждом
этапе такой эволюции большая часть информации о предшест-
вовавшем этапе теряется. Известно, например, что условия,
близкие к тепловому равновесию, хорошо реализуются внутри
звезд, например в Солнце, и поэтому мы с хорошей точностью
можем рассчитать идущие там процессы. В то же время на по-
верхности Земли (и Солнца) условия очень далеки от равновес-
ных, и это, в частности, не позволяет нам просто рассчитывать
погоду.

Если в рассматриваемый период вещество находилось в со-
стоянии термодинамического равновесия, то к нему примени-
мы законы излучения абсолютно черного тела. Нам окажутся
далее необходимыми: ОТО, закон Стефана-Больцмана, распре-
деление Планка и соотношение для массы и энергии, предло-
женное А. Эйнштейном. При таком подходе состояние вещест-
ва Вселенной на ранних стадиях ее эволюции в каждый момент
мы будем определять температурой1, плотностью и некоторыми
другими параметрами. Вспомним, что в системе, находящейся
в состоянии термодинамического равновесия, всегда имеется
несколько величин, значения которых не изменяются. Одной из
таких величин является полная энергия системы. Таких вели-

1 Напомним, что понятие «температура» как раз и характеризует систе-
мы, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Температу-
ра в разных местах такой системы одна и та же. Так как Вселенная расши-
ряется, то она никогда не была в состоянии идеального теплового равнове-
сия. Однако тогда, когда скорости взаимодействия отдельных частиц больше
скорости расширения, Вселенную, конечно, можно рассматривать как сис-
тему, медленно переходящую из одного состояния термодинамического рав-
новесия в другое.
чин немного, и так как их значения не могут быть нынедены из
условия равновесия, их следует задать заранее. Оказывается,
что вместо понятия энергии Вселенной, находящейся в состоя-
нии теплового равновесия, удобно пользоваться понятием ее
температуры и учитывать три сохраняющиеся величины, плот-
ность которых нужно задать для описания процессов, происхо-
дящих сразу после Большого взрыва. Этими величинами явля-
ются:

1.	Электрический заряд. Число частиц с положительным
зарядом (протонов) равно числу частиц с отрицательным за-
рядом (электронов). Заметим, что если бы Земля и Солнце
имели бы избыток положительного или отрицательного заря-
да, равный 1 к 1036, то отталкивание между ними было бы
больше гравитационного притяжения.

2.	Барионное число. Барионы — это сильно взаимодейст-
вующие частицы (нейтроны, протоны и нестабильные ядер-
ные частицы). Барионное число есть полное число имеющих-
ся в системе барионов минус полное число антибарионов.

3.	Лептонное число. Лептоны — это частицы, не прини-
мающие участия в сильных взаимодействиях. Лептонами яв-
ляются электроны, мюоны и нейтрино. Лептонное число есть
полное число имеющихся в системе лептонов минус полное
число антилептонов.

Так как эти три величины не изменяются, то при расши-
рении Вселенной плотность их, как и число фотонов, умень-
шается обратно пропорционально кубу размера Вселенной.
Следовательно, электрический заряд, барионное и лептонное
числа, приходящиеся на один фотон, также не изменяются.
В рассматриваемом случае средняя энергия любого типа из-
лучения пропорциональна постоянной Больцмана к, умно-
женной на температуру1: Е ~ кТ. Легко оценить, до какой же
температуры должна была быть нагрета Вселенная, чтобы
фотоны, составляющие равновесное излучение, могли, соуда-
ряясь, рождать, например, электроны и их античастицы —
позитроны. Согласно Приложению 7, эта температура, кото-
рую мы назовем пороговой температурой для рождения элек-
трон-позитронных пар— Тепор, равна - б-Ю9 К. Плотность
имевшегося при такой температуре тяжелого «супа» из фото-
нов и электрон-позитронных пар1 2 р ~ 2-Ю7 кг-м~3 *. Электрон-

1 Если полная энергия частицы много больше ее массы покоя.

2 Плотности, соответствующие пороговым температурам, являются хо-

рошо определенными величинами, так как массы частиц, а следовательно и

температуры, известны точно. Эти значения р могут несколько отличаться от
позитронные пары возникали при соударениях фотонов и
снова исчезали при их аннигиляции, превращаясь в фото-
ны1.

Температура порядка 6-109 К, реализуется только внутри
глубоко проэволюционировавших предсверхновых и корот-
кое время после взрыва сверхновых* 1 2 * *. Из вышесказанного
ясно, что температура и полная энергия единицы объема ве-
щества, находящегося в термодинамическом равновесии,
действительно являются теми параметрами, которые позво-
ляют наблюдать за эволюцией Вселенной. Следующей харак-
теристикой является состав вещества, т. е. тот набор частиц
(квантов), который имеется во Вселенной в рассматриваемое
время. Заметим, что эта важная характеристика, так же как
и р, не является самостоятельной, а определяется температу-
рой.

Еще один параметр характеризует расстояния в видимой
части Вселенной. Процесс расширения Вселенной удобно
описывать посредством масштабного фактора Aft) (выраже-
ние 36). Если в момент времени to расстояние до удаленного
от нас космического объекта характеризовалось значением
го, a A(t) = Rq, то в дальнейшем расстояние изменяется по за-
кону r(t) = ro-Ro/R(t). Ему подчиняется и движение галактик
внутри сферы, представленной на рис. 18. R(t) иногда назы-
вают «радиусом Вселенной», если к = +1. В случае fc = -1 и О
фактор /?(<) также характеризует геометрические размеры
пространства, и мы будем называть его космическим мас-
штабным фактором.

приводимых в следующем разделе для характеристики временной эволюции
Вселенной в рамках некоторых предположений.

1 При температуре выше Упор в каждую единицу времени возникает
столько же электронов и позитронов, сколько и уничтожается. Таким обра-
зом, условие теплового равновесия требует, чтобы число частиц любого сорта
с пороговой температурой меньшей, чем температура Вселенной в данный
момент времени, было приблизительно равно числу фотонов (см. Приложе-
ние 7). Во Вселенной присутствуют нейтрино, антинейтрино и гравитоны, но
они существуют как бы сами по себе, практически не взаимодействуя с дру-
гими частицами. Что же касается протонов и нейтронов, то их доля состав-
ляет приблизительно ПУ9 от числа фотонов, и поэтому их вкладом в полную
энергию тяготения Вселенной при Упор можно пренебречь.

2 Сверхновые (Supernovae) — класс бурно взрывающихся звезд, чья све-

тимость после взрыва вдруг возрастает во многие миллиарды раз от предше-

ствовавшего уровня.
4.6.	НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ
К ОЦЕНКЕ ВРЕМЕННОЙ ЗАВИСИМОСТИ
ПАРАМЕТРОВ ЭВОЛЮЦИИ

Обратимся к временной зависимости основных парамет-
ров. Пусть Z?(t) характеризует размер какого-либо большого
расширяющегося объема в Метагалактике, например рас-
стояние до горизонта1. Для нахождения в рамках стан-
дартной модели Вселенной прежде всего можно воспользо-
ваться общей теорией относительности. До тех пор, пока ос-
новным источником гравитации являлось излучение, /?(f) ос
t1/3. После того, как начало преобладать вещество, /?(t) ос t2/3.
Графики обеих функций напоминают кривые, представлен-
ные на рис. 19.

Другой подход связан с анализом временной зависимо-
сти плотности вещества во Вселенной. Для ее нахождения
можно заняться решением сложных уравнений общей теории
относительности и с помощью модели Фридмана найти, что
при рассмотрении временных интервалов от начала расши-
рения до момента t < Н^лет плотность, равная р, достигается
за время:

t-1/ijGp (или, I/^8nGp/3 ).

Эту же зависимость можно получить из анализа размерно-
стей тех величин, которые имеются в теории. Чтобы показать
непротиворечивость всех наших рассмотрений, укажем на то,
что из анализа зависимости постоянной Хаббла от плотности,
рассмотренной нами в разделе 4.2, следует также аналогичная
зависимость между временем, прошедшим с начала расшире-
ния, и плотностью вещества во Вселенной. Полная плотность,
входящая в выражения типа	является суммой плот-

ности, обусловленной веществом, и плотности, обусловленной
излучением. Эти два параметра по-разному зависят от време-
ни. Что касается вещества, то его количество во Вселенной по-
сле охлаждения ее до температуры, меньшей ГеПОр, остается не-

1 Горизонт определяет предел для любого обмена информацией. Собы-
тия метут быть причинно связанными только тогда, когда они находятся в
пределах горизонта. При расширении Вселенной расширяется и горизонт.
Радиус видимости возрастает, как путь, проходимый светом за время от
начала расширения. Следовательно, те области Вселенной, которые сейчас
находятся в пределах современного горизонта, были когда-то разделены го-
ризонтом.
изменным, и, следовательно, плотность вещества в любой мо-
мент времени будет обратно пропорциональна объему Вселен-
ной в этот момент, т. е. р ~ /?~3, а так как р - f2, то R ~ t2/3. Что
касается излучения, то с ним ситуация иная. Как следует из
Приложений 5 и 6, X «/?(/) и температура излучения падает по
мере расширения Вселенной, как Т ос /?-1 (t). Так как энергия
излучения уменьшается обратно пропорционально R, то pmi ~
R^* и, если преобладает излучение, то R ~ t 1/2. Обе эти зависи-
мости можно объединить, записав р ~ [1/ R (t)]n, где п = 3, если
преобладает излучение, и п = 4, если тяготение во Вселенной
определяется веществом.

Мы знаем теперь, как зависят от времени масштабный
фактор R и плотность р, поэтому не представляет большого
труда определить зависимость от времени температуры Все-
ленной (см. выражение (П12)|.

Т~ 2,2-1010K/Tt ~1010K/7t,

где время t выражается в секундах.

Как мы упоминали в разделе 4.5, желательно иметь еще
теоретические оценки тех основных параметров, характери-
зующих нашу Вселенную в какой-нибудь из начальных мо-
ментов ее существования, значения которых известны. Рас-
сматривая эволюцию этих параметров и характеристик, мы
и будем в действительности рассматривать эволюцию Все-
ленной.

Известны температура, характеризующая реликтовое из-
лучение Teff ~ 3 К, соответствующая ей плотность излучения
Prad ~ 4,7-10~31 кг-м~3 и per в настоящее время. В качестве ис-
ходных оценок значений этих параметров мы можем взять:
для температуры ~ 1032 К и для суммарной плотности рР ~
1096 кг-m-3, существовавшие, вероятно, в самые первые
мгновения Большого взрыва.

Что касается эволюции масштабного фактора, то значе-
ние его после завершения процесса инфляции не известно, а
в качестве современной характеристики укажем, что сегодня
мы видим объекты, расположенные от нас на расстояниях
R £ 5 Гпк.

Последняя и чрезвычайно важная характеристика — это
состав вещества Вселенной, который изменялся по мере ее
эволюции. Мы знаем, что в настоящий момент во Вселенной
есть фотоны, протоны, электроны, нейтрино, атомы водоро-
да, гелия, в очень небольшом количестве атомы и ионы дру-
гих элементов и, может быть, гравитоны1. В начальный же
момент был «сгусток энергии», состоящий из одних частиц,
превращающихся в другие по мере остывания. Анализ эво-
люции этого «бесформенного» первичного «сгустка» энергии в
современную Вселенную с ее структурой и представляет за-
дачу анализа возникновения и эволюции Вселенной.

Хотя мы и говорим о таких величинах, как температура
~ 1032 К, но отдаем себе отчет в том, что они настолько экстре-
мальны, что мы сегодня не располагаем сколько-нибудь разра-
ботанной теорией поведения вещества при таких условиях. К
счастью, мы практически безошибочно можем судить о пове-
дении Вселенной при несколько более низких температурах. О
температуре Тепор ~ 6109 К, которая была через ~ 1020 К/(Тепор)2
~ 3 с после Большого взрыва, мы уже упоминали.

Успехи в области адерной физики позволяют нам также
достаточно уверенно говорить о свойствах вещества при поро-
говых температурах, соответствующих рождению пар более
тяжелых элементарных частиц: нейтрон-антинейтрон или про-
тон-антипротон: ТраОр ~ Ю13 К (t ~ 10-6 с; р ~ 8-1019 кг м“3). В
этом случае мы как бы имеем дело с веществом, характерным
для Вселенной через одну микросекунду после ее рождения.
Наконец, эксперименты, проведенные в последние десятилетия
в области физики высоких энергий, позволили получить неко-
торые представления, касающиеся области энергий, характер-
ной для Вселенной через 1СН2 с после ее рождения, когда тем-
пература была порядка 1016 К. Продвижение в область более
высоких температур возможно сегодня только на базе дости-
жений физики высоких энергий и моделирования.

Проводя оценки плотности вещества Вселенной, мы
должны помнить, что при температуре Вселенной около
1011 К она состоит в основном из фотонов, электронов, пози-
тронов, нейтрино и антинейтрино. Все эти пять типов излу-
чений равноправны, и для каждого из них справедлив закон
Стефана-Больцмана. Таким образом, плотность вещества
Вселенной при этой температуре будет приблизительно в
пять раз больше, чем это дается законом Стефана-Больцмана
для плотности, обусловленной только фотонами.

В настоящее время принято считать, что не все частицы
одинаковы в плане их «элементарности» и ядерные частицы

1 Совсем не исключено, что некоторые типы частиц мы пока не в силах

обнаружить.
(протоны и нейтроны) состоят из действительно элементарных
частиц— кварков. Кварковая модель имеет под собой в на-
стоящее время не только теоретическую, но и эксперименталь-
ную базу и широко используется в физике. В качестве элемен-
тарных частиц мы будем в дальнейшем рассматривать: фото-
ны, лептоны и кварки. При рассматриваемых температурах
они свободно двигались, находились в состоянии термодина-
мического равновесия и представляли собой просто один из ти-
пов излучения черного тела. Такая модель «состава» вещества
Вселенной позволяет нам продвинуться в область существенно
меньших времен (и более высоких температур).

Следующей особой точкой на температурной шкале, о ко-
торой мы можем сегодня говорить с определенной долей уве-
ренности, является ~ 3-Ю15 К. Дело в том, что фундаменталь-
ные взаимодействия, о которых мы уже упоминали выше,
начали действовать во Вселенной как независимые только
после того, как она достаточно сильно остыла1. Упомянутая
выше температура ~ 3-1015 К и является той последней (са-
мой низкой!) температурой, охладившись до которой, Все-
ленная как бы испытала последний «фазовый переход».
Единство между фундаментальными взаимодействиями, ко-
торое, вероятно, было при более высоких температурах,
окончательно нарушилось. Это произошло приблизительно
через 1О11 с.

При более высоких энергиях (при повышении температу-
ры) слабые и электромагнитные взаимодействия были объе-
динены. Силы взаимодействий подчинялись закону обратных
квадратов и характеризовались приблизительно одинаковой
интенсивностью. При больших температурах, вероятно, к
ним «присоединилось» и сильное взаимодействие. По крайней
мере, это следует из достижений современной теоретической
физики. «Свободным» от них оставалось пока только грави-
тационное взаимодействие, которое характеризуется на-
столько малой постоянной взаимодействия, что необходимо
дальнейшее существенное повышение температуры (возрас-
тание плотности вещества и, как следствие, силы тяготения),
чтобы эффекты, связанные с гравитацией, начали играть
существенную роль в эволюции Вселенной. Только в самое

1 Иногда говорят, что фундаментальные взаимодействия стали незави-

симыми после того, как во Вселенной произошли последовательные фазовые
переходы, в результате каждого из которых одно из фундаментальных взаи-
модействий «отделялось» от других и симметрия между фундаментальными
взаимодействиями нарушалась.
первое мгновение при плотностях, близких к рР, силы тяготе-
ния между частицами такие же по величине, как и другие
силы. Конечно, сегодня мы знаем слишком мало о квантовой
природе гравитации для того, чтобы рассуждать об истории
Вселенной в эти мгновения. Тем не менее одно обстоятельст-
во крайне интересует ученых. Дело в том, что гравитация,
как и электромагнетизм, может проявлять себя не только в
привычной нам всем форме статического действия на рас-
стоянии, но и в форме волн.

Это не электромагнитное излучение, представляющее со-
бой волны колеблющихся электрических и магнитных полей,
а гравитационные волны, представляющие собой колебания
в гравитационных полях. Длины этих волн могут быть раз-
личными, и поэтому можно также говорить о гравитацион-
ном излучении. Эти волны взаимодействуют с веществом не-
сравнимо слабее, чем фотоны, и даже слабее, чем нейтрино.
Поэтому гравитационные волны вышли из теплового равно-
весия со средой через время порядка tp и начали свободно
распространяться, а эффективная температура гравитаци-
онного излучения стала уменьшаться обратно пропорцио-
нально кубу размера Вселенной. Сегодня она должна состав-
лять примерно 1 К, т. е. заметно ниже температуры реликто-
вого излучения. Детектирование этого излучения привело бы
к существенному обогащению наших знаний о ранней Все-
ленной. К сожалению, самые серьезные попытки обнаружить
его пока еще не привели к сколько-нибудь обнадеживающим
результатам.

4.7.	НАЧАЛО ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Отдельные этапы эволюции Вселенной мы будем связы-
вать вначале с кардинальными изменениями свойств веще-
ства Вселенной, а затем, после завершения первичного нук-
леосинтеза и последующего объединения ядер и электронов в
атомы, с образованием современной структуры Вселенной.
Разбиение непрерывного процесса эволюции Вселенной на
ряд этапов, или, по аналогии с тем, как это принято в гео-
хронологии, на эры и т. д., конечно, достаточно произвольно,
а терминологические различия здесь, в отличие от геохроно-
логии, не принципиальны.

Принимаемая структура должна прежде всего учитывать,
что наш интерес к эволюции Вселенной основан на том, что-
бы полнее представлять себе условия, приведшие к образо-
ванию Земли, биосферы, а затем к возникновению глобаль-
ных экологических проблем и возможному влиянию на всех
них космических факторов. В свете этого мы будем разли-
чать три этапа.

Начало образования прото-
галакгик.

1 млрд лет

1 млн лет

меньше, чем протонов.

Эра квантовой гравитации. Все фундаментальные силы природы
объединены. Радиус Вселенной меньше 10'33см.

15 млрд лет

и планет. Зарождение
жизни на Земле.

8 млрд лет
Образование большин-
ства галактик, включая
Млечный путь.

3 млрд лет

Некоторые наблюдаемые
квазары и радиогалактики.

становится прозрач-
ной. Разделение вещества и
которое впоследствии
как микроволновое
излучение.

-------------------- 500 с

Аннигиляция электронов и позитро-
Нуклеосинтез. Начало эпохи
преобладания излучения.

---------------------- 1с

Отделение нейтрино. Нейтронов стано-

10*4с

электромагнитного и слабого
Образование барионов и

их аннигиляция.

10’11с

сильного взаимодействия. Вселен-
заполняется электрон-кварковой смесью, в
которой число кварков больше числа антикварков.
----------------------------------- 10-35с

Отделение гравитации от других сил.

Эпоха теорий Великого объединения. Инфляция. Область,соответству-
ющая наблюдаемой Вселенной, расширяется до размера епальсина.

----------------------------------------------------- Ю’43с

Радиус Вселенной----->

Большой взрыв

Рис. 22. Хронология расширяющейся Вселенной

Первый этап начинается Большим взрывом, заканчива-
ется образованием первичного химического состава Вселен-
ной и длится меньше миллиона лет.

Второй этап связан с зарождением структуры Вселенной,
т. е. формированием изолированных облаков вещества, ко-
торые затем делятся на меньшие части, из них образуются
протогалактики, а в последних вспыхивают самые первые
звезды. Этот этап продолжался порядка миллиарда лет. В это
время сформировалась крупномасштабная структура Все-
ленной с ее скоплениями и сверхскоплениями галактик, а
внутри загорающихся звезд началась переработка водорода
и гелия в более тяжелые элементы, необходимые для возник-
новения планет, подобных Земле. Третий этап — это совре-
менный этап развития Вселенной, который длится заведомо
более 10 млрд лет. Самым существенным для нас следствием
происходящих здесь процессов является образование Сол-
нечной системы и ее эволюция. Самым трудным моментом
для понимания является зарождение жизни на нашей плане-
те и ответ на вопрос — существует ли она где-либо еще.

Начнем путешествие во времени. Интерпретация начала
первого этапа, продолжавшегося примерно 0,01 с, наиболее
сложна и основывается только на экстраполяции современ-
ных данных физики. Бесспорно, надежность любой экстра-
поляции не абсолютна, однако замкнутое рассмотрение эво-
люции невозможно, если выброшен первый этап. Существу-
ют довольно различные схемы и диаграммы, призванные, по
мнению их авторов, облегчить качественное понимание на-
чального этапа эволюции Вселенной.

На рис. 22 дана одна из таких схем, представляющая со-
бой сугубо качественную иллюстрацию процесса. За нулевой
момент времени принято то мгновение, когда произошел
Большой взрыв и началась эра квантовой гравитации. Это
был самый короткий период, и он окончился примерно через
tP ~ 10-43 с.

4.8.	ИНФЛЯЦИЯ

Второй период характеризуется двумя обстоятельствами.
Во-первых, плотность вещества стала недостаточной для того,
чтобы удерживать гравитационные волны1. Ядерное, слабое и
электромагнитное взаимодействия объединены и проявляют
себя как единое сверхсильное взаимодействие. В теоретической
физике этот отрезок времени часто называется эпохой теорий
Великого объединения. Во-вторых, в это время происходит
чрезвычайно важный и на первый взгляд необычный процесс.
Чтобы модель Большого взрыва не была противоречивой, в на-

----------------- ..)

1	Это значит, что взаимодействие гравитационных волн с остальным
веществом Вселенной стало настолько слабым, что им, по сравнению1 с
гими процессами, можно пренебречь.	р '<3

229

-'.oLkZit л
чале 80-х гг. оказалось необходимым ввести в нее весьма не-
обычную для восприятия неспециалистами фазу — фазу разду-
вания Вселенной, получившей название инфляции.

Приведем простейшие соображения, чтобы понять, по-
чему подобную фазу приходится ввести. Мы показали выше,
что во Вселенной для фотонов Т ~ R-1 ~ Vt. Отсюда несложно
получить, что за то время, пока температура уменьшилась от
Т епор - 6-109 К до - 3 К, размеры Вселенной увеличились при-
близительно в 2 млрд раз. Если принять, что размер видимой
части Вселенной составляет ~ 17 млрд световых лет, то при
температуре 6-109 К размер ее должен был быть - 9 световых
лет. Но, с другой стороны, мы также отмечали, что до темпе-
ратуры ТеПОр Вселенная охладилась менее чем за 3 с после
Большого взрыва. Этот процесс никак не мог продолжаться 9
лет. Иными словами, в какой-то момент скорость расшире-
ния Вселенной должна была по своей величине намного пре-
восходить скорость света.

Кроме того, во время эры квантовой гравитации масса
одной гипотетической квантовой области составляла ни-
чтожную долю от полной массы Вселенной, составившей
~ 1084 кг практически сразу после окончания этой эры1.

Микроволновое излучение оказалось очень однородным, а
плотность вещества во Вселенной по всем косвенным призна-
кам равна критической и геометрия ее — плоская. Согласно
ОТО, геометрия нашего мира может сильно отличаться от
обычной эвклидовой геометрии на плоскости. Все наши на-
глядные представления основаны на повседневном опыте и от
носятся к эвклидову трехмерному пространству. Поэтому на-
глядно представить себе замкнутую или открытую Вселенную
невозможно, можно лишь изучать математически ее свойства,
сравнивать результаты расчетов с опытом и наблюдениями и
пояснять их с помощью аналогии и моделей, являющихся не-

1 Серьезно оценить полную энергию Вселенной через - 10-35 с после ее
образования вряд ли кто-либо решится. Простого и корректного пути сде-
лать это, по крайней мере сейчас, нет. Однако некоторое представление
можно получить, если принять, что масса барионов могла составлять - 1064
кг (оценки будут приведены ниже) тогда, когда температура Вселенной была
- 1013 К. Если это так, то при температуре - 1032 К полная энергия всех су-
ществовавших тогда типов излучений была, по крайней мере, в - 1020 раз
больше, т. е. эквивалентна - 10м кг и занимала объем, который при плотно-
сти рР можно представить в виде шара с радиусом порядка одной десятой
миллиметра. Этот радиус несоизмеримо больше поэтому эффекты, свя-
занные с квантованием Вселенной как целого, в стандартной теории горя-
чей Вселенной должны быть несущественны.
полными. Почему же в действительности геометрия нашего ми-
ра столь близка к евклидовой геометрии на плоскости?

В общей теории относительности такой ситуации отвеча-
ет появление дополнительного члена с отрицательной кон-
стантой (Л член, или космологическая постоянная)1. Интерес
к этой константе то затухает, то возрастает, как это про-
изошло в 1996-1998 гг. Инфляция, в частности, и призвана
была имитировать Л член в первые мгновения эволюции Все-
ленной. Оказалось, что среда, порождающая инфляцию, в
свою очередь, может быть имитирована скалярным полем.
Действительно, в теорию были введены особого типа поля —
так называемые скалярные поля <р. Мы не можем наглядно
продемонстрировать такое поле в отличие, например, от
электромагнитного или гравитационного. Тем не менее оно
успешно используется в теоретических построениях, пытаю-
щихся описать реальный физический мир.

В разных областях поле <р может принимать значения,
далекие от равновесного значения, и «скатываться» затем к
равновесному состоянию ср = сро. На первых стадиях этого
процесса поле меняется очень медленно и, следовательно,
плотность его энергии остается почти постоянной. Темп рас-
ширения Вселенной, согласно общей теории относительности,
зависит от плотности энергии вещества, и если плотность
меняется очень медленно, то Вселенная начинает расши-
ряться со всевозрастающей скоростью. Область Вселенной,
заполненная большим и достаточно однородным полем <р, за
время достижения минимума потенциальной энергии может
расшириться примерно в Ю1000000 раз.

Таким образом, как бы попутно решается и проблема
эвклидовости пространственной геометрии. Если даже раз-
дувающаяся область пространства изначально имела очень
большую кривизну, то после раздувания в 101000000 раз гео-
метрия пространства не будет отличаться от евклидовой гео-
метрии плоского мира. Огромная скорость расширения Все-
ленной не противоречит основам современной физики. Ско-
рость света ограничивает скорость передачи сигнала. В то
же время, согласно общей теории относительности, скорость
увеличения размеров системы (расширение в вакуум) в
принципе может быть любой. Именно благодаря этому об-

1 Л член был введен Эйнштейном в 1915 г. в уравнения поля при фор-
мулировке им общей теории относительности для объяснения статичности
Вселенной, во что он в тот период времени верил.
стоятельству наблюдаемая часть Вселенной размером 5 Гпк
могла в значительной степени возникнуть за счет существо-
вавшей в самом начале стадии экспоненциально быстрого
расширения пространства. Первоначальный размер такой
области мог быть меньше 10~35 м, длительность этого процес-
са была ~ 10~35 с. За это время Вселенная достигла макроско-
пических размеров. Иными словами, за время инфляции
размер нашей Вселенной увеличился в большее число раз,
чем за всю последующую историю вплоть до наших дней.
Отметим, что через - 1О35 с после Большого взрыва горизонт
видимости имел радиус всего ~ 3-10~27 м, что на много по-
рядков меньше радиуса электрона. В это время в «поле зре-
ния» была только ничтожная часть Вселенной, имевшей уже
не микроскопические размеры.

Так как вся энергия поля ср переходит в тепловую энер-
гию излучаемых этим полем элементарных частиц, то масса
Вселенной возрастает от ~ НУ8 кг до - 1084 кг. Дальнейшая
эволюция описывается стандартной теорией горячей Вселен-
ной. Разность потенциальной и кинетической энергий любой
части Вселенной во время инфляции остается постоянной. В
момент окончания инфляционной стадии суммарная энергия
очень мала по сравнению с самими величинами потенциаль-
ной и кинетической энергии, что позволяет Вселенной рас-
ширяться и сегодня. Инфляция позволяет устранить многие
проблемы и открывает возможность дальнейшего рассмотре-
ния эволюции формирующейся Вселенной.

4.9.	ПЕРВИЧНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ

Мы оказываемся на третьем временном отрезке, который
заканчивается примерно через 1СН1 с после Большого взры-
ва. Этот период начинается непосредственно после заверше-
ния процесса инфляции, когда температура Вселенной со-
ставляет порядка 1028 К, и сильные взаимодействия отделя-
ются вслед за гравитационными взаимодействиями, а элек-
тромагнитные и слабые по-прежнему существуют в виде
единого «электрослабого» взаимодействия. Плотность вещест-
ва настолько велика, и соответственно соударения между
различными частицами происходят настолько быстро, что
мы можем говорить о тепловом равновесии.

Выше мы говорили о законе сохранения барионного чис-
ла. Это действительно имеет место для всех реакций с уча-
стием частиц достижимых сегодня энергий. При температу-
рах, характерных для эпохи Великого объединения, во Все-
ленной число частиц и античастиц было одинаковым. Не бы-
ло, следовательно, и никакого закона сохранения барионного
числа. Реакции с изменением барионного числа были столь
же вероятны, как и другие реакции.

Согласно распространенной в настоящее время гипотезе,
во Вселенной в это время могли быть сверхтяжелые частицы
с массами примерно в 1014 раз больше массы протонов и ан-
типротонов. При охлаждении ниже - 1028 К скорости всех
процессов, происходящих с такими частицами, оказались
меньше скорости расширения Вселенной. Эти частицы не
успели вовремя распасться или проаннигилировать, и их
концентрация стала много больше равновесной. По истече-
нии достаточно большого интервала времени (в масштабе,
характерном для протекающих здесь процессов) эти сверх-
тяжелые частицы и античастицы распались. Однако каналы
распада были не полностью симметричны и после того, как
эти частицы распались, во Вселенной появился небольшой
избыток частиц (кварков) над числом античастиц (антиквар-
ков). Иными словами, возникли условия, необходимые и дос-
таточные для того, чтобы на последующих этапах эволюции
Вселенной могло образоваться то вещество, из которого мы с
вами состоим, и не было бы в заметном количестве антиве-
щества в нашей Вселенной. Теория позволяет рассчитать те-
перь барионный заряд (который в дальнейшем сохраняется)
и энтропию Вселенной, которая оказывается -109 -г- ~1010,
что хорошо совпадает с принятым сегодня значением -109.

Благодаря огромной плотности вещества Вселенная про-
должает находиться в термодинамическом равновесии, она со-
стоит из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков и антик-
варков, которые движутся как свободные частицы. Таким об-
разом, во время этого временного интервала произошло чрез-
вычайно важное событие: образовался небольшой избыток ве-
щества над антивеществом, и никакие последующие процессы
аннигиляции не могут помешать образованию вещества и объ-
ектов, из него состоящих, в том числе и биосферы.

Четвертый временной интервал начинается тогда, когда
Вселенная остыла до температуры - 3-1015 К (через 10~и с после
Большого взрыва), и после этого произошло окончательное ис-
чезновения симметрии между фундаментальными взаимодей-
ствиями. В конце этого периода кварки и антикварки превра-
щаются в барионы и антибарионы, а те в свою очередь анниги-
лируют. Пятый период начинается при плотности вещества
Вселенной -1016 кг м~3 и температуре более 1011 К. Достовер-
ность нашего описания Вселенной существенно возрастает. Де-
ло в том, что уровень развития современной физики позволяет
хорошо описывать состояние такого вещества и процессы, в
нем происходящие. В этот момент времени в наибольшем ко-
личестве присутствовали фотоны, электроны, позитроны (их
было примерно на одну миллиардную долю меньше, чем элек-
тронов) и примерно такое же количество нейтрино разных ти-
пов. Они непрерывно рождались и аннигилировали. Число час-
тиц по-прежнему определялось балансом между процессами их
рождения и гибели. Число нуклонов было ничтожно (~ 1СУ9) по
сравнению с числом частиц других типов излучения и, кроме
того, средняя энергия на частицу любого типа пока еще очень
велика.

Суммарная плотность энергии всех частиц и полей является
источником поля тяготения Вселенной. Значит, в тот период
времени, в отличие от настоящего, вклад в поле тяготения от
нейтрино или от фотонов был несоизмеримо больше, чем от ну-
клонов. Мы полагаем, что несмотря на некоторые скачки тем-
пературы, связанные, например, с процессами аннигиляции
барионов, с хорошей точностью имеет место тепловое равнове-
сие. Следовательно, плотность энергии Вселенной определяется
только температурой.

Скорость расширения Вселенной определяется балансом
между полем тяготения и направленным наружу импульсом
всего вещества Вселенной. Это позволяет процесс охлаждения
Вселенной, характеризуемый ее температурой в каждый мо-
мент времени, использовать в качестве часов, отслеживающих
ее эволюцию. Наиболее точно такие «часы» работают в проме-
жутках времени между двумя соседними пороговыми темпера-
турами. В районе пороговых температур всегда происходит не-
который разогрев вещества за счет аннигиляции частиц. С хо-
рошей для наших целей точностью мы можем утверждать, что
промежуток времени, необходимый для того, чтобы Вселенная
охладилась от одной температуры до другой, пропорционален
разности обратных квадратов этих температур.

Пятый период, о котором идет речь, можно рассматри-
вать как своего рода прелюдию к приближающемуся синтезу
химических элементов. Все, что происходит в это время, под-
готавливает начальные условия для этого синтеза, и неболь-
шие различия в возможных сценариях протекающих здесь
процессов будут приводить к разному химическому составу
молодой Вселенной. Поэтому рассмотрим поведение каждого
ингредиента вещества Вселенной по отдельности.

Прежде всего рассмотрим нейтрино, которые были обна-
ружены при p-распаде и которые участвуют в слабых взаимо-
действиях. Нейтрино и антинейтрино этого типа называют
электронными. В результате открытия р-мезонов нам стали из-
вестны мюонные нейтрино, а в середине 70-х гг. были открыты
т-частицы— тяжелые аналоги электрона и р-мезона. Естест-
венно предполагать, что при распаде т-частиц так же, как и
при распаде р-мезона, испускаются нейтрино. Эти частицы на-
зывают т-нейтрино.

Вопрос о наличии массы покоя у нейтрино чрезвычайно
важный для космологии, так как от окончательного ответа на
него зависит оценка суммарной плотности сегодня вещества
во Вселенной. Нейтрино почти не взаимодействуют с веще-
ством. Так, можно отметить, что если на пути потока элек-
тронных нейтрино оказывается Земля, с ее средней плотно-
стью 5,518 т-м-3, то вероятность того, что нейтрино провзаи-
модействует с веществом Земли, очень мала. Однако при ги-
гантских плотностях вещества, которые были в то время во
Вселенной и составляли еще ~1016 кг-м*3, силы тяготения бы-
ли настолько велики, что удерживали все нейтрино в тепло-
вом равновесии с электронами, позитронами и фотонами
благодаря быстрым столкновениям с ними и друг с другом.
Нужно отметить, что, когда прошла примерно одна сотая се-
кунды после Большого взрыва, и мюоны и антимюоны анни-
гилировали, мюонные нейтрино стали «свободными» и отде-
лились от остального вещества. Они практически никак не
влияют на последующие процессы, протекающие с вещест-
вом Вселенной, и на некоторое время мы о них забудем.

Что касается обычных электронных нейтрино, то они
участвуют в двух совершенно различных типах процессов.
Во-первых, столкновения электронов и позитронов помимо
их аннигиляции могут приводить и к образованию пар ней-
трино, которые, в свою очередь, соударяясь, могут рождать
электрон-позитронную пару. Схематически это можно пред-
ставить себе следующим образом:

е* + е s* v + v .

Во-вторых, они участвуют в процессах, происходящих с
обычным веществом, которого немного, но оно все же есть. Де-
ло в том, что при этих температурах протоны и нейтроны не
могут образовывать ядра, так как любые объединения нуклонов
мгновенно разрушаются в «кипящем котле» высокоэнергетиЧе-
ских фотонов, электронов, позитронов, нейтрино и антиней-
трино.
Чтобы предсказать химический состав ранней Вселен-
ной, после того как этот котел заметно остынет, нам необхо-
димо знать соотношение между числом протонов и нейтро-
нов. Нейтрон тяжелее протона на 1,29 МэВ. Температура
-1011 К соответствует энергии частиц порядка 10 МэВ. По-
этому столкновения протонов и нейтронов с многочисленны-
ми лептонами, обладающими значительной энергией, будут
приводить к протеканию реакций типа:

р + е~ п + v и p+v^n+e*.

Благодаря этим реакциям при рассматриваемых темпе-
ратурах устанавливается равенство между числом протонов
и нейтронов. По мере дальнейшего расширения Вселенной, в
связи с понижением температуры, это равновесие будет на-
рушаться, так как нейтроны тяжелее протонов и образование
протонов в таких реакциях оказывается энергетически более
выгодным и, следовательно, относительная доля протонов
возрастает. Если бы эти реакции продолжались в достаточно
быстром темпе при дальнейшем расширении Вселенной, то
очень скоро нейтронов бы не осталось. Ситуацию спасает то
обстоятельство, что скорость реакций настолько быстро убы-
вает с понижением температуры, что все нейтроны не успе-
вают исчезнуть по каналам этих реакций. Тем обстоятельст-
вом, что нейтрон является нестабильной частицей с перио-
дом полураспада -15 мин, мы можем пренебречь, так как
счет времени происходит у нас пока на десятые доли секун-
ды.

В этот период для нас не имеет значения конечна ли Все-
ленная или нет. Существенные изменения во Вселенной начи-
наются примерно через секунду после Большого взрыва, когда
ее температура падает до ~ 1010 К. При этих температурах
средняя длина пробега электронных нейтрино в веществе до
соударения с другими частицами становится настолько значи-
тельной, что они выходят из теплового равновесия с фотонами,
электронами и позитронами и их можно рассматривать как
свободные. Ничего особенного при этом не происходит. После
отделения нейтрино от остального вещества Вселенной нейтри-
но свободно расширяются, и, так же как и для фотонов, их
средняя длина волны увеличивается прямо пропорционально
размеру Вселенной. В период отделения нейтрино плотность
энергии составляет ~ 4-108 кг м-3.

Вселенная оказывается прозрачной для нейтрино. Число
их не меняется, а энергия падает. Сейчас Вселенная должна
быть заполнена электронными реликтовыми нейтрино —
продуктами Большого взрыва. Так как в момент отделения
они находились в тепловом равновесии и в дальнейшем
практически не взаимодействовали с остальным веществом
Вселенной, то сейчас они также находятся в тепловом равно-
весии, которое характеризуется температурой около 2 К. В
последние десятилетия интенсивно развивается нейтринная
астрономия. Если удастся обнаружить эти нейтрино, то мы,
вероятно, увидим с их помощью новые детали в той же Все-
ленной, которую мы видим с помощью микроволнового излу-
чения. К сожалению, успехов пока нет.

Детально рассмотренный нами пятый период кончается
через несколько секунд после взрыва. Электроны и позитро-
ны начинают аннигилировать быстрее, чем рождаться из из-
лучения. Расширение Вселенной, сопровождающееся пони-
жением ее температуры, сдвинуло баланс между числом про-
тонов и нейтронов к 76:24. Средняя энергия частиц - 1 Мэв,
что меньше, чем энергия связи нуклонов в ядре атома ге-
лия ---8 Мэв. Однако образованию ядер 4Не мешает то об-

стоятельство, что вначале протон и нейтрон должны объеди-
ниться вместе и образовать атом тяжелого водорода— дей-
терия, который служит как бы кирпичиком при создании
атомов гелия из протонов и нейтронов. Ядра дейтерия — это
наиболее слабо связанные ядра. Энергия фотонов, электро-
нов и позитронов еще достаточно высока и не позволяет об-
разовываться заметным количествам дейтерия.

Нуклеосинтезу на рис. 22 отведен следующий, шестой
период первого этапа эволюции Вселенной, которая начина-
ется через -10 с после взрыва. Однако в это время происхо-
дит и другое, исключительно важное, событие. Средняя тем-
пература вещества теперь меньше Т^пор, и скорость анниги-
ляции электрон-позитронных пар существенно уменьшается
по сравнению со скоростью их рождения. Наконец, по про-
шествии первых сотен секунд можно считать, что все пози-
троны проаннигилировали, но осталась небольшая доля элек-
тронов, которая точно компенсирует заряд протонов. Энер-
гия фотонов, образовавшихся в результате аннигиляции
электрон-позитронных пар, повысила примерно на 35 %
температуру вещества Вселенной. Так как нейтрино теперь
не взаимодействуют с оставшимся веществом, то эту энер-
гию получили только фотоны.

Вернемся к нуклеосинтезу. После того как Вселенная ох-
ладилась ниже - 109 К, энергия излучения становится недос-
таточной для разрушения ядер дейтерия. Вселенная по-
прежнему расширяется настолько быстро, что любые ядра
могут образовываться в результате двухчастичных столкно-
вений, например, протона и нейтрона или двух нейтронов,
или протона и дейтона. В то же время вероятностью тройных
и тем более четверных соударений мы можем пренебречь.
Доля нейтронов к этому моменту уменьшилась до 13-^14%, и
они расходуются на образование гелия. Ядер тяжелее 4Не
практически не образуется, так как не существует стабиль-
ных ядер, состоящих из пяти и восьми нуклонов. С хорошей
точностью все нейтроны оказались связанными в гелий, а
так как число нейтронов и протонов в ядре 4Не одинаковое,
то масса гелия должна быть ~ 26% от массы всех ядер. До
этого момента прошло чуть более трех минут.

Заметим, что температура, при которой происходит пер-
вичный нуклеосинтез, зависит от соотношения числа фотонов к
числу нуклонов, т. е. от параметра 5. То, что сегодняшнее со-
держание гелия во Вселенной находится в согласии с выше-
приведенными цифрами, означает, что мы неплохо выбрали
значение 5. Еще более серьезной проверкой правильности этого
значения является измерение содержания во Вселенной дейте-
рия и легкого изотопа гелия— 3Не, так как теоретические
оценки в этом случае чрезвычайно зависят от плотности ядер-
ных частиц в момент нуклеосинтеза. Оба эти изотопа остались
в ничтожном количестве после нуклеосинтеза, и измеренное
сегодня их содержание не противоречит значению S = 109. То,
что в ранней Вселенной содержания водорода 93 ат.%) и
дейтерия 10~5 ат.%), различающиеся в 107 раз, согласуются с
предсказаниями теории нуклеосинтеза, является выдающимся
успехом стандартной модели.

С окончанием процесса первичного нуклеосинтеза во
Вселенной установился последний, совершенно необычный,
период первого этапа — эра преобладания излучения (радиа-
ционно-доминированная стадия). Это единственный период
в истории эволюции Вселенной, когда плотность материи,
ответственная за тяготение, определяется фотонами и нахо-
дящимися при чуть меньшей температуре нейтрино (они не
получили энергии, высвободившейся при аннигиляции элек-
тронов и позитронов), а вкладом в эту плотность привычного
нам вещества, состоящего из нуклонов и электронов, можно
пренебречь1. Их вклады сравняются тогда, когда средняя
энергия фотона станет порядка одного электронвольта.

1 Так как масса электронов почти в 2000 раз меньше массы нуклонов, а
Аннигиляция электрон-позитронных пар и нуклеосин-
тез— это два последних активных процесса, завершающих
шестой период. Примерно через час после Большого взрыва
наступает последний седьмой период, который занимает бо-
лее чем 99,999% первого этапа эволюции. Теперь во Вселен-
ной долго будет довольно спокойно и ее полная масса будет
определяться в основном фотонами, нейтрино и антинейтрин
но. Кроме того, имеется и относительно небольшое по массе
количество ионизированного вещества (плазмы). Это ядра
водорода (протоны) и ядра гелия (а-частицы), а также элек-
троны, пережившие эру позитрон-электронной аннигиляции.
Фотоны очень энергично взаимодействуют с электронами, и
Вселенная для них непрозрачна. Так продолжалось до тех
пор, пока энергия фотонов была больше энергии связи элек-
тронов в атомах водорода и гелия.

Примерно через 300-5-400 тыс. лет температура Вселен-
ной уменьшилась до ~ 4000 К1. Атомы водорода образуются с
большей вероятностью, чем диссоциируют, а а-частицы уже
превратились в атомы гелия. Эпоха, когда космическая
плазма в результате рекомбинации превратилась в обычный
нейтральный газ, играет особую роль в истории эволюции
Вселенной. До того момента, пока плазма не рекомбинирова-
ла, было невозможно образование структурных элементов
Вселенной: скоплений галактик, галактик или других небес-
ных тел, так как энергичное взаимодействие излучения с ве-
ществом подавляло этот процесс.

Образовавшийся в результате рекомбинации газ стал
прозрачным для излучения, так как теперь нет свободных
электронов, с которыми фотоны могли бы взаимодейство-
вать* 1 2. Следовательно, произошло последнее разделение мате-
рии: на всем нам хорошо известное вещество, состоящее из

число протонов и электронов равно, то очевидно, что вкладом электронов в
полную массу вещества, начиная с этого момента, можно всегда пренебре-
гать. Что касается протонов, то при средней энергии фотона - 104 * эВ полная
энергия 109 фотонов (приходящихся на один протон) в десять тысяч раз
превосходит полную энергию протона, обусловленную в основном его массой
и составляющую - 109 эВ. Поэтому в этот период вкладом нуклонов (атомов)
в полное тяготение можно действительно пренебречь.

1 Плотность, обусловленная излучением, составляет теперь р - 2-Ю-18
кг/м3, а наиболее вероятная длина волны излучения Хт«~ 7250 А, т. е. Мы
можем сказать, что вся Вселенная в это время окрашена в красный цвет!

2 Окончился период преобладания излучения. Действительно, теперь

средняя энергия фотонов - 1 эВ, и следовательно, полная энергия 10* фото-

нов (приходящихся на один протон) уже не превосходит полную энергию

протона, обусловленную его массой.
атомов; на излучение, состоявшее в тот момент также из хо-
рошо известных нам фотонов с длинами волн, приблизитель-
но соответствующими видимому диапазону частот, и на «не-
видимое» вещество, состоящее из нейтрино и других воз-
можных частиц.

Так как Вселенная с этих пор прозрачна не только для
гравитонов и нейтрино, но и для фотонов, то реликтовое из-
лучение, о котором мы уже говорили, несет нам информацию
о состоянии Вселенной именно в это время. Наблюдая релик-
товое излучение, мы как бы видим сферу, определяемую
этим горизонтом, а дальше вещество непрозрачно для элек-
тромагнитного излучения.

4.10.	ПРОБЛЕМА ВОЗРАСТА ВСЕЛЕННОЙ

Новый этап эволюции— этап формирования и диффе-
ренциации областей с различной плотностью вещества —
протоскоплений и протогалактик. Этот период не столь ярок
и контрастен, как предшествовавший, и время стерло почти
всю информацию о нем, предоставив ученым обширное поле
для различных теоретических построений, а компьютерное
моделирование стало здесь основным методом исследований.
До начала просветления космической плазмы Вселенная
представляла собой систему, в которой отдельные частицы
имели достаточно времени для многократных взаимодейст-
вий, и этим обеспечивалось состояние равновесия, по край-
ней мере в больших областях Вселенной. Процессы в «равно-
весной» Вселенной, эволюционировавшей вплоть до своего
«просветления» как хорошие часы, где случаю и нелинейно-
сти было мало места, начинают теперь меняться. Хаос, неус-
тойчивость — гравитационная неустойчивость Вселенной,
нелинейность — нелинейный характер ее расширения на
стадиях эволюции, последовавших после ее просветления,
начинают играть главенствующую роль.

На новом этапе только свободно расширяющееся излуче-
ние продолжает описываться формулой Планка. Температура
уменьшается обратно пропорционально расширению. Это
значит, что с того периода рекомбинации космической плаз-
мы, когда температура была ~ 3000 К, до настоящего време-
ни масштабный фактор Р увеличился в ~ 1000 раз. Иногда
говорят, что со времени начала рекомбинации Вселенная
расширилась в ~ 1000 раз.
Что касается хронологии, то на новом этапе температура
излучения перестала определять время, прошедшее с момен-
та Большого взрыва, так как средняя плотность стала опре-
деляться веществом, поведение которого более не связано с
поведением реликтового излучения. Так как температура из-
лучения — это теперь не температура Вселенной, то перестал
работать хронометраж событий во Вселенной, предложенный
в разделе 4.6. У нас были «часы» на протяжении почти пол-
миллиона лет существования Вселенной, но потом они «ис-
портились», и поэтому нам необходимо использовать другие
методы хронометрии.

Первый подход для определения возраста Вселенной воз-
ник в 30-х гг. XX столетия. О нем мы упоминали в разделе
4.2: время — t, прошедшее с момента начала расширения,
определяется постоянной Хаббла. Однако мы уже говорили о
том, что вплоть до настоящего времени нет единого мнения,
чему равна постоянная Хаббла. Более того, согласно первому
значению Н, данному Хабблом, возраст Вселенной (~ 1/Н)
был < 2 млрд лет, что сильно противоречило результатам дру-
гих методов. В настоящее время известно, что возраст Сол-
нечной системы ~ 4,6 млрд лет. Сравнение распределений
светимости и цвета отдельных звезд шаровых скоплений в
гало нашей Галактики с моделями структуры и эволюции
звезд дает (13 + 17) млрд лет для времени существования этих
звезд1. Возраст Вселенной, полученный с помощью ядерной
космохронологии, не менее 14 млрд лет. Принятая нами ве-
личина константы Хаббла удовлетворительно согласуется с
этими значениями1 2.

Интересные результаты дали измерения возраста очень
старых звезд в гало нашей Галактики. На примере звезды CS
22892-052 был модифицирован метод нуклеокосмохроноло-
гии, в котором удалось практически избежать требований
знания химической эволюции Галактики и сложных цепочек

1 Звездное гало — шарообразное распределение звезд и звездных скоп-
лений вокруг галактического диска, гало из невидимой материи — то Же в
случае материи, которую мы не в состоянии сегодня непосредственно ви-
деть.

2 Напомним, что используемое нами значение Н - 57 км г1 Мшг1 (см.
раздел 4.2) выбрано так, чтобы полученный с его помощью возраст Вселен-
ной удовлетворял большой совокупности экспериментальных и теоретиче-
ских оценок этого возраста, а не только методу, основанному на непосредст-
венном определении Н. Нужно иметь в виду, что для z > 2 очень существенно
то обстоятельство, что мы пытаемся получить информацию о более молодой
Вселенной, когда и скорость расширения могла быть иной. При анализе по-
добных наблюдений необходим учет релятивистских эффектов.
синтеза элементов в новых и сверхновых звездах. В этом ме-
тоде обычно сравнивают измеренное содержание долгожи-
вущего радионуклида (или отношение содержаний двух ра-
дионуклидов) с предсказаниями теории для начального их
значения. К сожалению, исключить некоторого скепсиса к
такой процедуре не удается.

Содержание тяжелых элементов определяют по площа-
дям под линиями атомного поглощения изучаемых изотопов.
Слабые линии атомного поглощения этих изотопов как бы
тонут в частоколе других линий, самыми интенсивными из
которых являются линии спектра поглощения железа. По-
пытки устранить эти трудности за счет наблюдения звезд с
меньшим содержанием железа приводили раньше к такому
уменьшению интенсивности линий, интересующих ученых,
что никакого выигрыша не было. Эти трудности удалось
обойти за счет того, что металлдефицитные звезды гало Га-
лактики имеют содержание железа ~ КН от его содержания
в Солнце, однако отношение количеств элементов, образо-
вавшихся в них за счет «r-процесса», к содержанию железа
выше, чем на Солнце1.

Упомянутая выше звезда CS22892-052 — ультраметаллде-
фицитная звезда с известным с большой точностью1 2 отношени-
ем элементов, образующихся в «r-процессах», к железу. Оказа-
лось, что содержания стабильных элементов, получаемых при
«r-процессе», отнесенные к их содержаниям в Солнечной систе-
ме, хорошо согласуются друг с другом, за исключением радио-
активного ^^Th, содержание которого в два раза меньше, чем в
Солнечной системе (с учетом его распада в течение 4,6 млрд
лет). Из величины дефицита 232Th, и зная период его полурас-
пада 14 млрд лет, ученые получили, что возраст звезды (17±4)
млрд лет. При этом оценка не зависит от химической модели
эволюции Галактики и модели образования звезд.

Во многих книгах, опубликованных в последние годы,
можно прочесть, что возраст Вселенной составляет (1020)
млрд лет3. Мы будем считать, что последние измерения по-

1 О «r-процессах» см. раздел 5.3.

2 Подобные звезды в нашей Галактике образовались до того, как вокруг
стало относительно много железа. В звезде CS22892-052 с хорошей точно-
стью были измерены отношения содержаний 17 элементов от бария до то-
рия, образующихся в «r-процессах», к содержанию железа.

3 В литературе часто упоминался парадокс, связанный с возрастом Все-
ленной. Суть его состояла в том, что возраст, определенной с помощью по-
стоянной Хаббла, полученной из непосредственных измерений, был сущест-
венно меньше возраста, полученного другими методами. Принятое нами
значение Н снимает этот парадокс.
зволяют уменьшить этот диапазон до ~ (17-5-18) млрд лет.
Подведем итоги. В настоящее время особенно перспективны
три подхода к определению возраста Вселенной: радиоак-
тивные хронометры, теория эволюции звезд и шаровых ско-
плений и космологические наблюдения. Согласно последнему
подходу, если Вселенная однородна и изотропна, то время ее
расширения может быть определено из наблюдений трех ве-
личин: текущей скорости расширения; количества вещества
во Вселенной, которое замедляет расширение, и космологи-
ческой константы, которая влияет как на ускоряющие, так и
замедляющие силы. Анализу плотности вещества мы и посвя-
тим следующий параграф.

4.11.	ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА
ВО ВСЕЛЕННОЙ

С проблемой «возраста» тесно связана и проблема сред-
ней плотности вещества во Вселенной, несомненно, еще бо-
лее далекая от окончательного решения. Неопределенности в
оценках численных значений здесь достигают десяти раз.
Несмотря на огромные усилия, вопрос о флуктуациях плотно-
сти вещества в стремительно расширяющейся Вселенной по-
сле рекомбинации плазмы является одним из наименее по-
нятных до настоящего времени.

Первым и наиболее простым предположением может
быть гипотеза о том, что те уплотнения, из которых возникли
в последующем скопления галактик, были просто стохастиче-
скими флуктуациями плотности среды. Такие флуктуации не
могут превышать А1/2 - 1045 частиц1. Следовательно, макси-
мальные флуктуации в числе частиц слишком малы для того,
чтобы непосредственно служить теми возмущениями плотно-
сти, из которых после рекомбинации возникли не только ско-
пления галактик с числом частиц ~ п-1068 , где п— число га-
лактик в скоплении, но даже шаровые скопления с массами
~ 1062 частиц.

Конечно, естественные флуктуации могли бы увеличи-
ваться, однако для того, чтобы они выросли до необходимого
размера, требуется много времени. Мы можем сказать, что,

1 Во Вселенной, находившейся в состоянии термодинамического равно-
весия, флуктуации в количестве частиц любого сорта составляют величину
порядка N112, где N— число частиц. Проделаем несложные оценки. В нашей
Галактике - 1068 частиц, во Вселенной имеется не более - 1012 галактик, и
если S ~ 10е, то, следовательно, в момент, предшествовавший аннигиляции
кварков и антикварков, во Вселенной было - 1090 частиц.
ний дает в настоящее время Qm » 0,61, а возможное верхнее
значение для барионной составляющей «0,10.

Существует также много методов определения параметра
замедления. Суммарный вывод из них: наиболее вероятно,
что Вселенная находится в подкритическом состоянии, но
полностью не исключено, что q = 1/2. Несмотря на то, что
наблюдаемая пока плотность вещества меньше критической,
не следует сразу предполагать, что Вселенная открыта и бу-
дет расширяться всегда1. Вообще говоря, наблюдаемое зна-
чение ро могло бы отличаться от р<г в сотни или тысячи раз.
Поэтому наблюдаемое сегодня отличие значения Q от едини-
цы может со временем уменьшиться, так как, вне сомнений,
какая-то часть барионов скрывается в ненаблюдаемых или
плохо наблюдаемых массивных космических объектах, на-
пример, в виде слабых звезд или межгалактического газа.

Известно, что масса больших скоплений галактик замет-
но превосходит сумму масс отдельных галактик, составляю-
щих эти скопления. Имеются и другие данные, свидетельст-
вующие о существовании так называемой «скрытой» массы.

Для того чтобы описать гравитационное поведение га-
лактик и их гало, рассматриваются два других возможных
источника гравитирующей массы. Определенное внимание
уделялось и уделяется нейтрино. Мы уже отмечали, что в со-
временной Вселенной нейтрино почти так же много, как и
фотонов. Если их масса покоя равна нулю, то их вклад в
суммарную плотность вещества примерно равен плотности
реликтового излучения. Однако даже очень малой массы по-
коя только одного из видов нейтрино (например, ~ 2-1 О*4 * тпе)
было бы достаточно для того, чтобы Вселенная оказалась
замкнутой и масса, обусловленная нейтрино, в 10 раз пре-
вышала бы массу барион1 ов2. Сегодня мы знаем, что масса
электронных нейтрино не превосходит 10~7 те. Вряд ли суще-
ственный вклад могут внести и мюонные нейтрино, однако
значительного вклада в суммарную плотность от т-нейтрино
мы исключить не можем.

1 Отметим, что последние инфляционные модели вполне допускают и
значение О < 1. В них Вселенная характеризуется не в терминах «открытая»
или «закрытая», значения которых зависят от топологии, а используются
термины «подкритическая» и «надкритическая». Существенно то, что даже
подкритическая система может быть закрытой.

2 Заметим, что это была бы очень странная Вселенная, отличная от на-

шей. Так, например, для нейтрино недопустимы процессы, связанные с теп-

лоотдачей, которые приводят к образованию звезд и планет с плотностью

(l-i-lOO)-lO3 кг м-3и выше.
Другим источником гравитации могут быть какие-то экзо-
тические частицы, которые образовались на раннем этапе эво-
люции и которые по каким-то причинам мы не можем создать
в лабораторных условиях. Это могут быть, например, магнит-
ные монополи, черные дыры1, аксионы и так далее. Сущест-
венный вклад в изучение плотности вещества во Вселенной
внесли в последние годы прецизионные эксперименты по изу-
чению микроволнового излучения. Буквальный прорыв в этой
области произошел после того, как 18.11.1989 был запущен
спутник СОВЕ1 2. Результаты, полученные СОВЕ, согласуются с
теорией инфляции, которая требует, чтобы Вселенная имела
большую плотность, чем мы пока можем обнаружить. Суммар-
ные данные по проведенным к настоящему времени измерени-
ям плотности представлены в табл. 5.

Таблица 5. Результаты измерений плотности вещества во Вселенной
с помощью различных подходов

Нуклеосинтез	Clbaz ~ 0,06
Поглощение света от далеких квазаров	Пьаг > 0,06
Движение больших связанных структур	Пт =0,2 ±0.1
Эволюция скоплений	Пт=0,4 ±0.1
Суммарный анализ движения видимых галактик	Пт = 0,6 ± 0,2
Космологические проверки на согласованность	Q » 0,6 (возможно 1,0)
Флуктуации микроволнового излучения	П= 0,66 ±0,16

Итак, согласно Космологическому принципу, если мы
рассматриваем всю Вселенную, то в ней отсутствуют резкие
контрасты плотностей и нет доминирующего направления.

1 Черная дыра — это объект, масса которого больше, чем предел
Шварцшильда, представляющий собой границу, определяемую в рамках об-
щей теории относительности. Черные дыры возникают при сжатии массив-
ного тела до столь малых размеров и громадных плотностей, что свет больше
не может уйти от него. Объект может наблюдаться лишь по его гравитаци-
онному полю.

2 Искусственный спутник Земли Cosmic Background Explorer (СОВЕ) ос-
нащен тремя приборами: спектрометром для измерения далекого инфра-
красного излучения (FIRAS) с целью сравнения спектра космического мик-
роволнового излучения со спектром прецизионного чернотельного источни-
ка; дифференциальным микроволновым радиометром (DMR) для картогра-
фирования космического излучения и прибором для измерения диффузного
фона инфракрасного излучения (DIRBE) с целью поиска космической фоно-
вой инфракрасной радиации. Микроволновое излучение было измерено с
точностью 0,005%; впервые было обнаружено, что фон имеет внутреннюю
анизотропию, равную одной части на 100 000, и было обнаружено космиче-
ское инфракрасное фоновое излучение на двух самых длинных волновых
полосах 140 и 240 мкм. .
Положение нашей Галактики ничем не выделено и во Все-
ленной нет какой-то выделенной оси. Измерения реликтового
излучения, приходящего на поверхность Земли, также не
противоречили изотропности Вселенной. Таким образом,
теория и наблюдения свидетельствовали в пользу достаточно
однородной Вселенной. Не менее достоверно мы знаем, что
галактики распределены в пространстве неравномерно. Име-
ется положительная корреляция для галактик и скоплений
галактик: вероятность обнаружения галактики вблизи другой
галактики больше вероятности обнаружения ее в произволь-
ной точке объема. Считается, что корреляции убывают с рас-
стоянием и это дает возможность установить характерный
масштаб для структуры Вселенной. Для галактик характер-
ная длина составляет ~ 10 Мпк, а для скоплений галактик —
~ 50 Мпк.

Как нам теперь связать изотропность Вселенной и нали-
чие у нее структуры?

4.12.	ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ

Связать почти однородную Вселенную на стадии преоб-
ладания излучения и неоднородную Вселенную позволяет
идея гравитационной неустойчивости. Еще в ранней Вселен-
ной, когда доминировало излучение, должны были существо-
вать некоторые малые возмущения плотности, которые экс-
периментально долгое время не удавалось обнаружить.

Очень чувствительные приборы, как запущенные в кос-
мос, так и находящиеся на Земле, позволили ученым надеж-
но детектировать флуктуации в микроволновом фоне1. Ис-
следование этих флуктуаций дает возможность изучать как
природу структуры Вселенной, так и основные параметры
Большого взрыва. Наконец было показано, что даже в очень

1 Мы видим микроволновые фотоны, пришедшие из того направления,
где они в последний раз были рассеяны ионизированным веществом. Если
мы смотрим на достаточно большие расстояния, то в любом направлении от
нас были такие ионы и электроны (мы смотрим достаточно далеко в про-
шлое). Таким образом, мы можем сказать, что микроволновое излучение
пришло от удаленной оболочки в космическом пространстве, где регистри-
руемые нами сегодня фотоны в последний раз рассеялись ионизованной ма-
терией. Эту оболочку иногда называют поверхностью последнего рассеяния
(last-scattering surface). Ближе, чем эта поверхность, Вселенная является су-
щественно прозрачной. За этой поверхностью фотоны и ионы быстро рас-
сеиваются. Хотя поверхность имеет конечную толщину, она представляет
собой довольно резкую границу. Подавляющая часть анизотропии излуче-
ния, которая сегодня видна на микроволновом небе, обусловлена поверхно-
стью последнего рассеяния.
ранней Вселенной вещество не было однородно распределе-
но, как это и следовало из инфляционной модели. Существо-
вали более плотные области ионизованного водорода и фото-
нов, которые понемногу сжимались из-за их собственной
гравитации. Процессы, в которых подобные области расши-
рялись и сжимались, представляли собой определенный цикл'
коль скоро облако сформировалось, оно начинало сжиматься
под действием собственной гравитации, нагревалось, и фо-
тоны раздвигали его границы обратно, почти до первона-
чального размера. Области различного размера осциллирова-
ли с различными скоростями. Малая область могла осущест-
вить такой цикл уже к моменту просветления космической
плазмы, в то время как большая область к этому времени
проходила только часть цикла и фиксировалась микроволно-
вым излучением как область повышенной или пониженной
яркости.

Изучая анизотропию спектров, т. е. измеряя размер об-
ластей с повышенной плотностью ионизированного газа и
фотонов в момент рекомбинации плазмы, по-видимому, уда-
стся определить: замедляется ли расширение Вселенной, или
оно происходит с постоянной скоростью. Если расширение
Вселенной замедляется, такие яркие области будут относи-
тельно близки и проявятся как более яркие пятна, размером
порядка градуса. Если расширение остается постоянным, то
те же самые области будут иметь размер от трети до полови-
ны градуса, так как они очень далеки. Анализ этой инфор-
мации должен сказать, будет ли Вселенная расширяться или
сожмется.

Таким образом, измерения анизотропии микроволнового
фона позволили наблюдать области на небе, которые в после-
дующем стали прародителями скоплений и суперскоплений.
В то же время следует помнить о том, что нет прямой связи
между этими объектами и окружающим нас миром. Дейст-
вительно, объекты, вызывающие горячие и холодные пятна и
видимые с помощью СОВЕ, находятся от нас на расстоянии
£ 5 Гпк и мы видим их влияние на наблюдаемое нами мик-
роволновое излучение. Значит, то, что вызывает «микровол-
новую рябь»1, находится на горизонте видимости от нас и,
следовательно, это совсем не те структуры, которые мы про-
слеживаем, наблюдая относительно близкие скопления. Тем
не менее в статистическом отношении эти объекты очень по-

1 Масштаб возникших неоднородностей составляет сейчас - 2 Гпк.
добны той локальной структуре, из которой ~ 17 млрд лет то-
му назад начало формироваться наше суперскопление. Уви-
деть, как выглядел наш локальный суперкластер1 в то время,
могут только наблюдатели, которые живут на нашем гори-
зонте видимости.

Образующийся при остывании областей ионизированно-
го газа нейтральный газ начинает в полной мере испытывать
действие гравитационной неустойчивости, поэтому сразу по-
сле просветления рост возмущений усиливается. Вопросы,
связанные с ростом возмущений плотности, рассматривались
в космологии еще в первой половине нашего столетия Джин-
сом. Его подход заключался в следующем: предположим, что
в нейтральном газе образовался сферический объем радиуса
г с увеличившейся на Ар плотностью, а давление в этой об-
ласти возросло на Ар. Такой перепад давления приводит к
тому, что силы давления FP ~ Ар/г стремятся расширить газ1 2.

Размер, при котором обе силы — тяготения и давления —
сравнимы друг с другом, называется критическим размером
Джинса (длиной волны Джинса) — гджинса. Если г > гджинса, то
главными оказываются силы тяготения, и уплотнение будет
расти под действием собственного гравитационного поля
(рис. 23).

Джинсовской массы
как раз достаточно
для коллапса

Флуктуации плот-
ности меньшей
массы не коллап-
сируют

Рис. 23. Рост возмущений
плотности внутри облака ней-
трального газа

Масса вещества, сосредоточенная в области с радиусом
гджинса, называется обычно Джинсовской массой —
Очевидно, что величина этой массы зависит от параметров

1 Из этого суперкластера образовалось суперскопление галактик, в со-
ставе которого находится Местная группа.

2 Чем больше перепад давления на единицу расстояния, тем существен-
нее силы давления, стремящиеся ликвидировать это уплотнение в газе. Этим
силам противодействует определяемая законом тяготения Ньютона сила Fc,
которая стремится сжать газ. Fc = - GM(p + Др)/г 2, где р— плотность газа
вне области сгущения, М = (4/3) я г°(р + Др)— масса сферического уплотне-
ния.
исходных уплотнений, т. е. от значений р и Ар, или, что то
же, от предыстории среды. Чем больше плотность газа, тем
при меньшей Джинсовской массе начнется коллапс. В рас-
ширяющейся Вселенной непрерывно изменяются условия
роста возмущений, так как меняется гджинса. Заметим, что те-
пловые неустойчивости могли бы также привести к конден-
сации вещества. Области с повышенной плотностью вещест-
ва остывают быстрее, и более горячее окружение будет да-
вить на них, повышая далее их плотность. В результате не-
большое возмущение плотности может возрастать1.

При сжатии гигантское газовое облако не может принять
сферическую форму. Причина проста: сила давления в нем
слишком слаба в сравнении с силой тяготения для того, что-
бы было возможно какое-то приближение к равновесной
сферической форме. Первоначально более или менее сфери-
ческое облако должно неизбежно превратиться в сильно уп-
лощенное образование.

По мере сжатия давление газа, которое сначала не играло
заметной роли, постепенно возрастает. Возникает скачок
давления, температуры и плотности в сжимающемся газе.
Образуются две ударные волны, отделяющие сжатый газ
внутренних слоев от внешнего «свежего» газа. На фронтах
этих ударных волн происходит превращение в теплоту части
кинетической энергии набегающего снаружи газа. Сжатый
газ нагревается. Плотные внутренние области слоя — прото-
скопления — претерпевают фрагментацию и дают начало
галактикам или их скоплениям, а горячая фракция газа мо-
жет сохраниться до настоящего времени. Собственное тяго-
тение вещества превращает формирующееся таким путем
скопление галактик в гравитационно связанную стационар-
ную систему.

Заметим, что на этом этапе развития Вселенной хаос на-
чинает играть все большую роль в эволюции. В гигантских
областях сжатого газа возникали скопления галактик и от-
дельные галактики. Процессы, приведшие к возникновению
скоплений галактик, развивались на фоне еще более гранди-
озной гидродинамики, на фоне движений гораздо большего
масштаба, которые формировали сверхскопления, а возмож-

1 Газовое облако не должно быть бесконечно большим, так как Ньюто-
нова теория тяготения сталкивается с рядом трудностей, если применять ее
к бесконечно большой системе. Эти трудности не возникают в общей теории
относительности, а в теории Ньютона их можно избежать, рассматривая
облако больших, но конечных размеров.
но, и наиболее крупные образования во Вселенной — клетча-
тые или ячеистые структуры. Подтверждением этого явилось
обнаружение огромных пустот, лишенных галактик, — «вой-
дов» с характерными размерами 50-100 Мпк. Имеющийся в
войдах газ, по-видимому, никогда не превращался в звезды.

Подчеркнем теперь важность вращательных движений.
Градиенты давления, температуры и плотности в сжимаю-
щемся газовом облаке и движения масс газа со сверхзвуко-
выми скоростями приводят к возникновению вихрей. Вихри
играют двоякую роль: они обеспечивают вращение фрагмен-
тов — протогалактик и способствуют выделению этих фраг-
ментов из непрерывной среды. Вихри как бы наложены на
общее космологическое расширение так, что каждый элемент
среды участвует сразу в двух движениях — в общем расши-
рении со скоростью Хаббла и в хаотическом вихревом дви-
жении со случайной скоростью. Если обе скорости в какой-то
области среды сравнимы по величине, то эти движения либо
складываются друг с другом, либо вычитаются друг из друга.
Вихревая скорость в некоторой части протогалактического
скопления может гасить скорость общего расширения, а в
соседнем с ним объеме, наоборот, ускорять взаимное удале-
ние элементов среды. Примерно такую картину мы и видим,
когда анализируем взаимное движение галактик одного ско-
пления1.

Если бы этот процесс образования и эволюции протога-
лактических скоплений начался сразу после рекомбинации,
то средняя плотность вещества в таких сгустках была бы
равна плотности космической плазмы при ее рекомбинации
~ 10~18 кг-м-3. Подобные объекты никак не могли бы превра-
титься в галактики, потому что средняя плотность вещества
галактик — ро — намного меньше ИГ22 -ь 10~21 кг-м-3. Можно
считать, что средняя плотность вещества, «размазанная» по
скоплению галактик, была порядка средней плотности веще-
ства во Вселенной в тот момент, когда облака, из которых
они образовались, обособились в расширяющейся Вселенной

1 С помощью такого условия сравнимости регулярной и случайной ско-
ростей можно оценить время, необходимое для образования галактик. Ско-
рость разбегания двух космических объектов с хорошей точностью равна
расстоянию между ними, деленному на возраст Вселенной. Если в качестве
такого расстояния взять размер протогалактического вихря, а хаббловскую
скорость взять равной скорости вращения этого вихря, то оказывается, что
возраст Вселенной в эпоху обособления протогалактических вихрей состав-
лял ~ 3 млрд лет. Согласно современным воззрениям, это чересчур большой
интервал времени.
и превратились в связанные образования. Расстояния между
облаками продолжали увеличиваться, а внутри их началось
сжатие и возникла гравитационная неустойчивость. По со-
временным представлениям, для того, чтобы началось обра-
зование галактик (чтобы плотность Вселенной стала < ро), по-
требовалось пройти нескольким сотням миллионов лет.

После образования протогалактики претерпевают даль-
нейшее сжатие, которое в большинстве случаев приводит к
образованию галактик. Размеры галактик значительно мень-
ше размеров протогалактик, плотность вещества в них на-
много больше, чем в протогалактиках, и поэтому те области,
вещество которых пошло на образование галактик, остаются
почти пустыми. Йока не обнаружены такие объекты, о кото-
рых можно было бы сказать, что это протогалактики, наблю-
даемые в последней стадии сжатия. Тем не менее полу-
чить некоторые представления о состояния среды в то
время можно, сравнивая современные характеристики га-
лактик и характеристики объектов на очень больших рас-
стояниях.

Допустим, что протогалактика является холодной, одно-
родной по плотности, сферически симметричной. Более того,
в ней отсутствуют турбулентные движения, магнитные поля
и внешние воздействия. Такие начальные условия для прото-
галактик с массой порядка массы Млечного Пути приводят к
коллапсу. Никакой физический процесс не может остановить
коллапс за короткое по космическим масштабам время такой
протогалактики в массивную черную дыру. Следовательно,
начальные характеристики протогалактик, из которых обра-
зовались современные галактики, были иными.

Рассмотрим условия, возможные для образования галак-
тики с массой звезд ~ 10й солнечных масс, занимающих объ-
ем пространства, эквивалентный шару с R ~ 30 кпк. Будем
считать, что в расширяющейся Вселенной протогалактиче-
ское облако становится устойчивым образованием, когда его
плотность достигает ~ 2-10-25 кг-м-3. Кроме того, предполо-
жим, что радиус этого облака чуть более 200 кпк1. Чтобы
происходило сжатие, кинетическая, магнитная и гравитаци-
онная энергии должны быть сбалансированы. Пусть скорость
вращения будет менее 40 км-с-1, температура — меньше
2-105 К, и напряженность магнитного поля— меньше

1 Сфера с радиусом R ~ 200 кпк занимает объем V ~ 9,6- 106S м3, и при
плотности вещества в ней, равной 2-Ю-25 кг м-3, ее полная масса оказывает-
ся - 101* Мо.
2-10"11 Тл. В таком облаке распределение плотности остается
однородным в ходе сжатия, и гравитационная энергия воз-
растает обратно пропорционально Р.

В сжимающейся массе газа температура остается пример-
но одинаковой до тех пор, пока плотность облака р* не достиг-
нет такого значения, что облако станет оптически толстым для
собственного излучения. После этого дальнейшее уменьшение
размеров этой области приводит к резкому возрастанию темпе-
ратуры облака. При заданных параметрах облака (протогалак-
тики) и прежде всего при данном значении р* тепловая энергия
может остановить сжатие лишь тогда, когда радиус облака
меньше некоторого критического значения — теплового преде-
ла. Турбулентная энергия быстро рассеивается, если размеры
облака большие. Что касается магнитной энергии, то если она
была меньше гравитационной энергии в начальный момент,
при сжатии облака она не превысит эту энергию. Если радиус
облака больше теплового предела, то оно будет уменьшаться,
пока из него не образуется сверхмассивный звездообраз-
ный объект— черная дыра, невидимая и почти не обнаружи-
ваемая.

Не только тепловая энергия определяет предельные раз-
меры облака. Два других явления могут предотвратить кол-
лапс обособившейся массы газа — это вращение и конденса-
ция. Если радиус таков, что энергия вращения уравновесила
гравитационную энергию, то говорят о вращательном преде-
ле. Если по достижении некоторого критического размера из
газа конденсируются звезды и начинается быстрый переход
от газового облака к галактике, состоящей из звезд, то гово-
рят о конденсационном пределе. Таким образом, судьба
сжимающегося облака зависит от соотношения этих трех
критических радиусов.

Если из трех размеров наибольшим является вращатель-
ный предел, то дальнейшему сжатию помешает вращение
(рис. 24). Центробежные силы ограничены плоскостью вра-
щения, поэтому в направлении, перпендикулярном плоско-
сти вращения, будет продолжаться сжатие, пока не образует-
ся вращающийся диск — спиральная галактика.

Если наибольшим размером является конденсационный
предел, то по мере роста плотности среды темп звездообразо-
вания будет увеличиваться и большая часть газа будет ист-
рачена на этот процесс. Диск не образуется, так как для эф-
фективной диссипации энергии почти не остается газа. Рас-
четы показывают, что подобная галактика может несколько
расшириться и стать почти сферической (рис. 24). Подобный
сфероид, с очень малым количеством газа и большим количе-
ством достаточно старых звезд, напоминает эллиптические
галактики.

Быстро
вращающееся
облако

Медленно
вращающееся
облако

сжимаясь,

сжимаясь.

превращается
в тонкий
вращающийся
диск

превращается
в медленно
вращающийся
сфероид

Рис. 24. Схема эво-
люции протогалактиче-
ского облака

Конечно, подобные рассмотрения в рамках трех пределов
достаточно наивны. Однако успехи современной наблюда-
тельной астрономии и теоретические расчеты дают основа-
ния утверждать, что, вероятно, мы стоим сегодня на пороге
решения и этих проблем. Проблема образования галактик —
бесспорно актуальная проблема космологии и неудивительно,
что для решения ее выдвигается много гипотез.

Заметим, что применение теории тяготения Ньютона к
бесконечной Вселенной ведет к противоречию, названному
гравитационным парадоксом. Суть парадокса состоит в том,
что при расчете силы, действующей на тело, оказывается,
что сила зависит от способа ее вычисления. Основным недос-
татком теории Ньютона является то, что предполагается
мгновенное распространение тяготения, а это не может быть
согласовано со специальной теорией относительности. Строго
говоря, теория тяготения И. Ньютона должна быть заменена
на релятивистскую теорию тяготения. Сейчас принято счи-
тать, что при рассмотрении Вселенной в масштабах менее
3 Гпк мы можем с теми или иными оговорками пользоваться
теорией тяготения Ньютона. Для анализа же процессов во
всей Вселенной необходима релятивистская теория. Экспе-
риментальное изучение структуры Вселенной происходит
сейчас двумя путями: упомянутым выше тщательным анали-
зом реликтового излучения и созданием карты распределе-
ния галактик в больших масштабах. Как известно, положение
галактик задается угловыми координатами и расстоянием до
них, определяемыми из регистрируемых астрономами Допле-
ровских сдвигов длин волн спектральных линий (раздел 4.2).
Корреляции между расстояниями и смещениями спектраль-
ных линий для далеких галактик вполне достоверны, а обзо-
ры по красным сдвигам галактик составляются на протяже-
нии многих лет. Исключительно трудоемкая работа1 привела
к тому, что в настоящее время действительно удалось обна-
ружить нечто похожее на трехмерную решетку из скоплений
галактик и войдов в масштабах - 100 Мпк. Проекция этой
решетки на плоскость представлена на рис. 25. Причиной
такой структуры могут быть акустические волны в ранней
Вселенной, которые оставили свой отпечаток на микровол-
новом излучении. Оптическое картирование галактик не по-
зволяет пока получить статистически достоверный охват
областей -200 Мпк.

Рис. 25. Результат
компьютерного модели-
рования трехмерной
решетки из скоплений
галактик. Изображение
представлено не в виде
позитива— ярких ско-
плений и сверхскопле-
ний галактик на тем-
ном фоне, а как нега-
тивное изображение

1 Трудности (и трудоемкость) прежде всего обусловлены конечным вре-
менем измерений на телескопах. Можно наблюдать галактики и их скопле-
ния под широким углом, но на небольшую глубину, или на большую разность
расстояний, но в пределах малых углов. В последнее время появилась новая
техника регистрации, когда оптические волокна используются, чтобы про-
водить rib отдельным каналам свет от каждого источника к спектрографу,
увеличивая таким образом время наблюдения в 100 и более раз. Можно на-
деяться, что совершенствование этой техники позволит составлять карты
областей размером ~ 200 Мпк.
Что касается анализа реликтового излучения, то рд*?ре
шающая способность телескопов пока такова, что хорошо
измеренные флуктуации микроволнового излучения соответ- •
ствуют масштабу неоднородностей ~ 2 Гпк. Степень флук-
туаций микроволнового излучения возрастает к более корот-
ким длинам волн, чем шкала, доступная СОВЕ. Усовершен-
ствование обоих подходов позволит в ближайшие годы
«сшить» их результаты. Это предполагает, что точность изме-
рений флуктуаций микроволнового излучения позволит из-
мерять неоднородности до 500 Мпк, а с помощью картиро-
вания скоплений галактик с измеренным Доплеровским
смещением составить карты областей размером ~ 250 Мпк.

4.13.	ПРОБЛЕМЫ,

ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ОПИСАНИИ ВСЕЛЕННОЙ

На протяжении первого миллиарда лет определяющими
элементами эволюции были те, которые относились ко Все-
ленной как к целому. Принципиальным являлось то, что хи-
мический состав Вселенной однороден и соответствует пер-
вичному нуклеосинтезу. Это газ, уже разделившийся на от-
дельные гравитационно связанные области, имеющие разную
плотность и температуру. В некоторых областях в результате
гравитационного сжатия температура могла повыситься на-
столько, что газ там ионизовался. Но в отличие от радиаци-
онно-доминированной стадии плотность Вселенной теперь
невелика. Современная экспериментальная техника позволя-
ет наблюдать облака примордиального газа, находящиеся от
нас на расстояниях ~ 3 Гпк.

Рассматривая расширяющуюся Вселенную как систему,
простирающуюся на миллиарды световых лет, мы полагали,
что к ней применимы известные нам законы физики, т. е.
что локально установленные законы выполняются всегда и
везде без всяких изменений. Переформулируем теперь эту
проблему чуть иначе: пусть законы универсальны, но сфор-
мулированы ли они настолько точно, чтобы применять их без
заметных ошибок к очень большим масштабам? Это макро-
скопический аналог проблемы, которая возникает в микро-
скопической (атомной и ядерной) физике. Мы хорошо знаем,
например, что применение законов классической механики,
справедливых для объектов, привычных людям размеров,
оказалось невозможным в атомных масштабах и потребова-
лось создать квантовую механику.
Слабые в лабораторных масштабах эффекты могут пре-
обладать в масштабах Вселенной. Поэтому можно вводить в
основные уравнения физики малые члены, которые были бы
пренебрежимо малы локально, но оказывали бы влияние на
решения в больших областях. В разделе 4.8 мы упоминали
уже о такой величине — космологической постоянной — Л.
Беда подхода, связанного с введением малых членов, состоит
в том, что мы поступаем самым простым способом. Чтобы
описать определенный круг явлений, мы вводим дополни-
тельный параметр. Конечно, удачно взятый дополнитель-
ный параметр всегда улучшит качество подгонки модели к
экспериментальным данным. Однако чем больше свободных
параметров в теории, тем меньшего доверия она заслужи-
вает.

Последним и, может быть, самым важным обстоятельст-
вом во время всех наших предыдущих рассмотрений было
то, что мы анализировали Вселенную «по привычке», как
большую систему, в то время как она не просто большая сис-
тема, а все сущее. Это обозначает то, что изучаемая нами
система не погружена в некую окружающую среду, свойства
которой в любой конкретной задаче рассматриваются как
заданные. Следовательно, традиционный метод построения
физической картины здесь неприменим.

Мы исходим из факта уникальности Вселенной как целого.
У нас нет основания допустить существование других миров,
общие свойства которых могут быть установлены из наблюде-
ний, а затем сформулированы в виде законов природы. Все-
ленная одна, и важным является реальное поведение этого
единственного в своем роде феномена. Законы природы долж-
ны быть, следовательно, сформулированы таким образом, что-
бы они относились только к реальной Вселенной, поскольку
других вселенных, по определению, не может существовать.

В конечном итоге, нужно разработать теорию, которая
описывала бы все, что происходит в действительности, и ни-
чего из того, что не происходит, т. е. теорию, в которой все,
что не запрещено, является обязательным. Такой теории пока
нет. Например, общая теория относительности — лучшая из
известных теорий пространства, времени и тяготения — со-
вместима со множеством различных моделей Вселенной.
Очевидно, что правильной может быть только одна из моде-
лей, т. е. теория слишком широка. Можно сказать, что в от-
сутствие теории может происходить все, что угодно; слабая
теория лишь ограничивает круг возможных явлений, а силь-
ная теория еще не найдена.
4.14.	ГАЛАКТИКИ

Проблема образования галактик — это одна из самых ак-
туальных проблем сегодняшней космологии. Ясно, что грави-
тационное сжатие должно было играть при этом важную
роль. Галактики являются гигантскими звездными система-
ми, содержащими от нескольких сотен миллионов до многих
сотен миллиардов звезд. Помимо звезд в состав галактик
входят межзвездный газ, межзвездная пыль, космические
лучи. Количество газа в галактиках по массе существенно
меньше, чем звезд, и разное у галактик различных типов. Ко-
личество межзвездной пыли в - 100 раз меньше, чем газа.

Большинство галактик можно разделить на четыре ос-
новных типа. Начнем рассмотрение со спиральных галактик
(они обозначаются буквой S), так как мы живем в одной из
них. Среди близких галактик спиральные составляют немно-
гим более 60%. Можно сказать, что спиральный узор — это не
редкое явление, а скорее обычное свойство галактик, и рас-
пространенность спиралей указывает на то, что этот узор
должен быть долгоживущим. На фотографиях, сделанных с
помощью больших телескопов, спиральные галактики выгля-
дят яркими вихрями звездных облаков, если фотографируе-
мая галактика находится в подходящем ракурсе. В качестве
примера на рис. 26 приведена фотография галактики М74.1
Она находится от нас на расстоянии ~ 11 Мпк и удаляется от
нас со скоростью - 790 км-с-1. Толщина спиральных рукавов
~ 300 пк, а диаметр ее - 30 кпк, т. е. ее размеры напоминают
размеры Млечного Пути.

В темную безлунную ночь мы можем невооруженным
глазом видеть гигантскую галактику — Андромеду (М31)1 2, а в
южном полушарии две расположенные рядом галактики —
Большое и Малое Магеллановы Облака. Другие галактики не-
вооруженным глазом видеть невозможно. Андромеда бес-
спорно является наиболее изученной галактикой после нашей

1 Она часто обозначается как NGC 628, принадлежит к галактикам типа
Sc, находится в созвездии Рыбы и входит в состав малого скопления галак-
тик.

2 Галактика М31 находится в созвездии Пегаса. Даже с помощью би-
нокля или подзорной трубы она выглядит как большое яркое туманное пят-
но, занимающее на небе область, равную 10 полным Лунам. Это самый уда-
ленный объект, который можно видеть невооруженным глазом. Диаметр
диска Андромеды больше, чем диска Галактики, и составляет - 61 кпк, мас-
са - 3,5-10й Мв, находится она на расстоянии - 890 кпк и движется к нам
со скоростью - 270 км-с1.
Рис. 26. Фотография спиральной галактики М74

Рис. 27. Фотография галактики Андромеда (М31) и двух
ее компаньонов — карликовых галактик М32 и Ml 10
Галактики. Из светящегося сгущения в ее центре выходят
широкие длинные дуги спиральных ветвей, усыпанные яр-
кими звездами. Приблизительно так же должна выглядеть с
больших расстояний и наша собственная Галактика. Ряд осо-
бенностей Галактики, которые скрыты от нас межзвездной
пылью, могут быть изучены на примере Андромеды. Приме-
нение бинокля или самого простого телескопа позволяет уви-
деть и двух ее компаньонов — две яркие карликовые эллип-
тические галактики М32 и Ml 10 (рис. 27). Согласно совре-
менным оценкам М31 обладает меньшей плотностью, чем Га-
лактика, так как ее объем больше, а масса меньше. Ядро Га-
лактики М31 кажется двойным, что может быть обусловлено
тем, что на раннем этапе эволюции она поглотила меньшую
Галактику.

В S-галактиках имеются два (а иногда и больше) спираль-
ных рукава, входящих в плоскую подсистему — «диск». Помимо
диска имеется и сферическая подсистема (гало), состоящая из
звезд, расположенных сферически симметрично вокруг центра
галактики. В спиральных рукавах сосредоточено много моло-
дых звезд и большая часть газа диска, образующие светящиеся
газовые облака. На начальной стадии своей эволюции эти звез-
ды очень ярки и сильно выделяются среди других звезд диска.
Именно поэтому спиральный узор отчетливо виден в весьма
удаленных галактиках, хотя на долю спиральных рукавов при-
ходится в каждом случае не больше 10% полной массы галак-
тики1. Средняя концентрация звезд в галактике, подобной на-
шей, ~ 0,06 звезд пкг3, т. е.г в среднем придется осмотреть 17
кубиков с ребром в парсек прежде, чем будет найдена звезда. В
окрестности Солнца среднее расстояние между звездами мож-
но сопоставить с воздухом, плотность которого уменьшили в

1 Количество газа в спиральных галактиках колеблется от 1 до 15% от
общей массы. Основная его часть находится в виде нейтральных атомов.
Температура таких газовых областей сильно зависит от плотности газа и
других условий. Газ нагревается мягким космическим излучением, ультра-
фиолетовым и рентгеновским излучениями, и температура его колеблется от
10 К в плотных облаках до нескольких тысяч градусов в разреженной меж-
облачной среде. В относительно холодных областях существенная часть во-
дорода находится в молекулярном состоянии. Наблюдения нейтрального во-
дорода в диске нашей Галактики (по его излучению в радиодиапазоне на
длине волны 21 см) показывают, что газ действительно ответствен за спи-
ральные рукава. Чтобы рукава четко очерчивались молодыми звездами, тре-
буется достаточно высокая скорость превращения газа в звезды и, кроме
того, не слишком большая длительность эволюции звезды на ее начальной
яркой стадии. В окрестности горячих звезд газ ионизуется их ультрафиоле-
товым излучением.
1018 раз1. За время ~ 10 млрд лет столкновений звезд здесь не
было. Оценки показывают, что время ожидания близкого про-
хождения двух звезд намного больше возраста галактик. В этом
смысле можно сказать, что галактики являются бесстолкнови-
тельными системами1 2.

Как же выглядит наша Галактика? Мы можем сфотогра-
фировать другие галактики, и их изображения будут зависеть,
конечно, от угла, под которым мы их видим (см. рис. 26 и 27).
Получить обычное фотографическое изображение Галактики в
оптическом диапазоне невозможно. Более того, так как мы
находимся среди огромного количества звезд, то даже
определить форму Галактики и наше положение внутри ее не
просто. Когда ночью мы смотрим на небо, то видим Млечный
Путь — светлую, довольно беспорядочную и туманную полосу
из звезд, проходящую через все небо (рис. 28). Ее ширина ~ 15°,
а звезды расположены в ней достаточно однородно.
Следовательно, Млечный Путь это достаточно плоский диск из
звезд, а мы находимся близко от плоскости этого диска. Если
бы звезды в Галактике не были расположены преимущественно
в плоскости, а образовывали бы, например, шар, то свет от них
приходил бы к нам равномерно со всех сторон, а не из узкой
полосы. Если бы мы были значительно выше или ниже
плоскости диска, то он не делил бы небо на две половины.
Млечный Путь был бы тогда ярче с одной из сторон неба.

Рис. 28. Фотография Млечного Пути

Наше положение относительно центра Галактики было
установлено после того, как X. Шепли измерил расстояния до

1 В воздухе при нормальных условиях среднее расстояние между моле-
кулами в ~ 10 раз больше размеров самих молекул.

2 Ближе к центру Галактики, где плотность значительно выше, можно
ожидать 1 столкновение за 1 млн лет.
шаровых звездных скоплений. Оказалось, что они создают
достаточно сферически симметричное образование размером
не менее 40 кпк с центром в направлении созвездия Стрель-
ца. Диск нашей Галактики погружен в это облако из шаро-
вых скоплений.

После того, как астрономические наблюдения распро-
странились от оптического диапазона на другие (радио- и
микроволновое излучение, инфракрасное (ИК), ультрафиоле-
товое (УФ), рентгеновское и гамма-излучение), были опреде-
лены детали строения Галактики: положения спиральных ру-
кавов, положение Солнца внутри одного из них, положения
газовых и пылевых облаков, концентрации вещества в них и
т. д. Солнечная система находится на внутреннем крае одно-
го из четырех спиральных рукавов, а ее расстояние от центра
Галактики составляет (8±0,5) кпк.

Хорошо разработанные методы картографии проникли и
в астрономию, и поэтому еще в первой половине нашего сто-
летия была построена панорамная карта звездного неба. Для
этого использовали специальным образом выбранную проек-
цию всего неба на овальное изображение с плоскостью Млеч-
ного Пути вдоль его центральной линии и северным галакти-
ческим полюсом сверху. Рис. 29 представляет собой фото-
графию такой карты, на которую нанесены 7000 звезд1.

Рис. 29. Панорамная карта звездного неба, составлен-
ная под руководством К. Лундмарка в 1940-х гг.

1 Каждая звезда представлена в виде белого пятнышка, размеры кото-
рого пропорциональны ее яркости. Хотя и качественно, такая фотография
достаточно хорошо соответствует видимому нами изображению неба. Так,
например, Орион находится у правого края, сразу под галактической плос-
костью. Большое и Малое Магеллановы Облака видимы как расплывчатые
пятна в нижнем правом квадранте.
Современная фотография этой области, в виде мозаики
из восьми фотоснимков, полученных с помощью широко-
угольного телескопа, представлена на рис. 30.

Рис. 30. Современная фотография Млечного Пути, видимого в оптиче-
ском диапазоне частот. Темные места в центральной части фотографии —
области поглощения облаками газа и пыли

Газовые и пылевые облака1, находящиеся внутри диска,
не позволяют в видимом свете наблюдать центральную об-
ласть Галактики. Эту область удалось изобразить, регистри-
руя ИК излучение в тех диапазонах, где основным источни-
ком его являются звезды (рис. 31).

Рис. 31. Панорама галактического диска, получен-
ная с помощью установки DIRBE, находящейся на борту
спутника СОВЕ

Таким образом, как и в других спиральных галактиках, в
Галактике хорошо различаются плоская подсистема, имею-
щая вид диска (к ней часто относят и эллипсообразное утол-
щение в центре — балдж), и сферическая подсистема, в ко-
торую этот диск погружен. Строго говоря, именно плоская
часть нашей Галактики является Млечным Путем. Мы на-
блюдаем «с ребра» диск, с балджем в центре, находясь внутри

1 Межзвездная среда составляет от 10 до 15 % массы Млечного Пути и
на 99 % состоит из газа. Остаток — это пыль, представляющая собой пло-
ские чешуйки или иголки из графита и силикатов, покрытые льдом и имею-
щие размеры (2-5)-10-7 м. На распространение видимого света пыль оказы-
вает больший эффект, чем газ.
самого диска. Местом, где Млечный Путь представляется нам
самым тонким, является то, где мы как бы выглядываем, мц
Галактики, а место, где он самый толстый и яркий, — это то,
где мы смотрим в направлении ядра Галактики (в направле-
нии созвездия Стрельца). Усредняя многие оценки диаметра
диска, мы будем считать его равным ~ 30 кпк при толщине ~
0,5 кпк. Диск содержит ~ 95% газа и пыли Галактики и внут-
ри орбиты Солнца содержит не менее ~ 2-1011 звезд. Звезды
продолжают образовываться с наибольшей вероятностью
близко к центральной плоскости. Газ и пыль находятся в
слое, который тоньше, чем слой звезд1.

В области размером ~ 4-6 кпк, где находится балдж, кон-
центрируется очень много звезд. Мы не можем непосредст-
венно видеть эту область, так как она закрыта от нас обла-
ками пыли. Звезды здесь, подобно звездам в эллиптических
галактиках, достаточно старые и холодные и почти не со-
держат элементов тяжелее гелия.

Звездное гало— это область с радиусом 20-30 кпк, где
находятся сотни миллионов старых, металлдефицитных1 2
звезд, концентрация которых растет к центру Галактики. В
ней содержится и небольшое количество горячего газа.
Большинство шаровых скоплений находятся в гало, и, по-
добно звездам, число их возрастает по направлению к галак-
тическому центру.

Звезды диска обращаются вокруг центра по почти круго-
вым орбитам. В области, где находится Солнце, линейная
скорость вращения диска составляет 220-250 км-сг1. Хаоти-
ческая составляющая скоростей движения звезд в области ~
100 пк от Солнца £ 20 км-сг1. У звезд сферической подсис-
темы, находящихся недалеко от Солнца, угловая скорость
общего регулярного вращения вокруг центра Галактики, по
крайней мере, раз в пять меньше, чем у звезд диска. Звезды
сферической подсистемы движутся по вытянутым орбитам,
их типичные скорости 200-300 км-сг1.

1 Слой газа и пыли это темная тонкая линия на средней плоскости дис-
ка, а слой звезд представляет собой более толстую светлую полосу. Это хоро-
шо видно на рис. 30 и хуже — на рис. 31.

2 В астрофизике все элементы кроме Ни не называют тяжелыми, и бо-
лее того, часто — металлами. Содержание по массе элементов тяжелее Не
обозначают через Z и называют металличностью. Металлдефицитные звезды
— это те звезды, где содержание тяжелых элементов менее нескольких про-
центов от солнечного. Орбиты таких звезд могут отклоняться на 1 кпк от
плоскости диска, если звезда принадлежит диску.
То обстоятельство, что скорость вращения Галактики вбли-
зи ее края подчиняется закону Кеплера, позволяет оценить мас-
су Галактики — или, точнее, массу той ее части, которая лежит
внутри определенной области1. Если взять в качестве примера
нашу Галактику и принять для Солнца v = 220 км-с-1, то внутри
орбиты Солнца должна быть заключена масса ~ 2-10й М®, ве-
личина, которая иногда фигурирует в качестве массы Галакти-
ки1 2.

Балдж вращается настолько быстро, что должны быть
достаточно большие гравитационные силы, которые удержи-
вают его от разлета. Оценки показали, что в самой централь-
ной части, размером менее 1 пк, должна быть сосредоточена
масса ~ 2-Ю6 Мо. Не исключено, что это огромная черная
дыра, которая поглощает вещество из ближнего окружения.
Аккреция3 может быть причиной того, что ядро, находящееся
внутри балджа, проявляет себя как источник повышенного
радиоизлучения, а также инфракрасного, рентгеновского и
гамма-излучения. Из ядра происходит, по-видимому, также
истечение газа. Нельзя пока исключить и то, что это сверх-
плотный кластер из звезд, взаимодействующих между собой
настолько интенсивно, что возникает то излучение, которое
испускается из этой области. В любом случае, нужно пом-
нить, что Галактика устроена достаточно устойчиво, чтобы
не быть поглощенной черной дырой.4 *

В настоящее время считается, что вся Галактика нахо-
дится внутри гало, состоящего из невидимой материи, кото-
рое называют коройой. Это гало должно распространяться
на 80-90 или более кпк и захватывать и наших «компаньо-
нов»: Большое и Малое Магеллановы Облака. В последние го-
ды выясняется, что масса короны в несколько раз превыша-

1 Известно, что при вращении с линейной скоростью v на расстоянии R
центростремительное ускорение составляет и2/R. Ускорение же силы тяготе-
ния, создаваемой массой М, заключенной в пределах радиуса R, есть GM/R2.
Из равенства обеих величин находим массу М = i?R/ G.

2 В настоящее время намного проще определить полную массу и свети-
мость, чем сказать, какое количество звезд испускает свет. Чем меньше звез-
да, тем труднее ее обнаружить, и поэтому погрешность в определении их
числа ~ 50%.

3 Аккреция (от лат. accretio — приращение, увеличение) — падение ве-
щества на космическое тело (например, протопланету, звезду или черную
дыру) из окружающего пространства.

4 Во многих спиральных галактиках обнаружена перемычка (бар), в

центре которой расположено ядро, а от концов ее отходят спиральные ветви.

Последние данные говорят в пользу существования такого бара и у Галакти-
ки.
ет суммарную массу звезд диска. Корона проявляет себя тя-
готением, но не излучает света, и в ней не обнаруживают ни
звезд, ни облаков. Имеется много гипотез о том, что не менее
половины невидимого вещества в нашей Галактике находит-
ся в виде массивных компактных объектов, которыми могут
быть, например, потухшие звезды.

Второй тип галактик — это эллиптические галактики.
Среди сравнительно близких к нам галактик (ярче 13-й випи-
мой звездной величины) около 13% принадлежит к классу эл-
липтических. Их обозначают буквой Е. По своему строению и
звездному населению они подобны сферической подсистеме
нашей Галактики. В них практически нет газопылевого веще-
ства и молодых ярких звезд. Они имеют шаровую или эллип-
соидальную форму. Изучение спектров этих галактик показы-
вает, что звезды в них движутся с почти одинаковой вероятно-
стью во всех направлениях, а вращаются медленно. Плотность
звезд в единице объема увеличивается к центру и плавно спа-
дает от центра к краю. Самые крупные эллиптические галакти-
ки имеют светимость в десятки раз больше, чем у Галактики, и
массу до 1013 Me. Имеются и карликовые эллиптические галак-
тики с массами и светимостями, в десятки тысяч раз меньши-
ми.

Следующим типом галактик являются линзообразные, обо-
значаемые SO. Среди близких галактик их ~ 22%. В этих галак-
тиках яркое основное сплюснутое тело, «линза», окружено сла-
бым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.

Около 4% близких галактик составляют неправильные га-
лактики. Они обозначаются 1г. К этому классу относят все га-
лактики, не попавшие в перечисленные выше классы. Количе-
ство газа в неправильных галактиках может доходить до 50%
от общей массы, но в других случаях может составлять всего
несколько процентов. Их светимости в десятки и сотни раз
меньше, чем у Галактики, а массы лежат в пределах 1010— 108
Мв. Звездный состав подобен населению дисков спиральных
галактик. Но эти звезды, а также и значительные массы газо-
пылевого вещества не образуют регулярной структуры и не об-
ладают выраженным общим вращением.

В центрах многих ярких галактик имеется сгущение, назы-
ваемое ядром, а внутри ядер некоторых галактик имеются яр-
кие ядрышки — керны. Известны галактики с необычайно ак-
тивными процессами в ядрах. Это так называемые Сейфертов-
ские галактики, N-радиогалактики и др. Имеются и другие ти-
пы галактик. Некоторые галактики являются мощными источ-
никами радиоизлучения: в радиодиапазоне их излучение зна-
чительно мощнее, чем в области оптических длин волн. Такие
галактики получили название радиогалактик1.

Совершенно особый класс объектов составляют квазары1 2,
открытые в 1963 г. Основная часть излучения исходит из
керна размером не более 0,1 пк, светимость которого дости-
гает 104— 105 L®. Этот керн квазара окружен газовой обо-
лочкой, простирающейся на сотни пк. Квазары обладают
также мощным радиоизлучением, и, кроме того, некоторые
из них — инфракрасным и рентгеновским излучением. В оп-
тическом диапазоне блеск квазаров переменен подобно тому,
как переменен блеск активных ядер галактик. В них звезд-
ная составляющая не обнаруживается.

В настоящее время большинство исследователей счита-
ют, что квазары являются ядрами галактик, находящимися в
стадии чрезвычайно сильной активности. Предполагается,
что источником такого грандиозного энерговыделения явля-
ется аккреция вещества массивной черной дырой, находя-
щейся в центре. Сейчас многие предполагают, что внутри
большинства галактик имеются черные дыры, просто у га-
лактик, типа нашей, черная дыра находится «на голодном
пайке»3. Через два года после открытия квазаров были от-
крыты квазаги, которые подобны квазарам, за исключением
того, что они не обладают заметным радиоизлучением.

Большая часть галактик входит в состав скоплений. Опуб-
ликованы каталоги, содержащие тысячи скоплений галактик.
Скопления делятся на правильные и неправильные. Помимо
этого важного деления скоплений на две группы существуют
классификации скоплений по разным параметрам, например,
по богатству (числу членов с достаточно мощным излучением),
по наличию ярких галактик в центре, по наличию пекулярных
галактик и т. д. Правильные скопления состоят из большого ко-

1 Для радиогалактики ЗС 295 известная ультрафиолетовая спектральная
линия ионизованного кислорода смещена в оранжевую область света. Отсю-
да скорость удаления этой звездной системы 1,38-10s тыс. км-с-1. Следова-
тельно, эта радиогалактика удалена от нас на расстояние ~1,5 Гпк. Мы ви-
дим от нее свет, который был испущен до образования Солнца и планет!

2 Само название их, квазизвездный объект (quasistellar radio source),
говорит о том, что это точечный источник, и так как они характеризуются
очень большими Доплеровскими сдвигами линий, то они являются очень
молодыми объектами.

3 Большая часть вещества, находившегося в поле ее притяжения, к на-

стоящему времени уже поглощена.
личества галактик (иногда более 104 членов), обладают сфери-
ческой симметрией и большой концентрацией к центру.

Рис. 32. Схематическое представление на-
шей Галактики и сталкивающейся с ней галак-
тики SagDEG. Гало из шаровых скоплений и ста-
рых звезд находится внутри гало из невидимой
материи, которому на схеме соответствуют
стрелки наружу

Наша Галактика, М31, МЗЗ и ближайшие к ним ~ 30 га-
лактик образуют Местную группу (Местную систему). Скоро-
сти беспорядочных «пекулярных» движений ближайших к
нам галактик больше регулярной скорости общего расшире-
ния Вселенной. В 1994 г. была открыта карликовая эллипти-
ческая галактика Стрелец (M54-SagDEG), которую не нужно
путать с карликовой нерегулярной галактикой Стрелец
(SagDIG). Обе они видны в созвездии Стрельца, но первая —
старая и содержит только старые желтоватые звезды, а вто-
рая — молодая и содержит много межзвездного вещества.
Диаметр этой карликовой эллиптической галактики ~ 9 кпк,
а масса ~ 10~3 Мв. Мы упоминаем о SagDEG потому, что она
находится в процессе столкновения с нашей Галактикой на
противоположной от нас стороне (рис. 32). Предполагается,
что это происходит раз в миллиард лет. Так как она пересе-
кала достаточно плотные области нашей Галактики, вероят-
но, нё менее 10 раз и не разрушилась, то внутри нее должно
содержаться много невидимой материи, обеспечивающей ее
гравитационную стабильность.
Глава 5

ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

5.1.	ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД

Первые звезды Галактики возникали в сжимающемся
протогалактическом облаке, причем звездообразование и по-
служило причиной, которая остановила в конце концов сжа-
тие Протогалактики как целого. Звезды, возникающие при
современном состоянии Галактики, рождаются в плотных и
холодных газопылевых облаках, сильно отличающихся по
своим свойствам от Протогалактики. Но и здесь размеры ис-
ходных облаков, из которых рождаются звездные скопления,
должны быть много больше джинсовой длины, чтобы облака
могли распадаться на фрагменты, а образовавшиеся подсис-
темы начали сжиматься.

Звезды первого поколения в своем большинстве могли
быть и не очень массивными. Но те немногие из них, масса
которых в 10 или 50 раз превышала массу Солнца, были спо-
собны претерпеть значительные эволюционные изменения и
превращения за 107-108 лет, т. е. за время, не превышающее
продолжительности общего сжатия Протогалактики. Газ, ос-
тавшийся после образования первых звезд, концентрировал-
ся к центру системы. Если Протогалактика обладала значи-
тельным моментом вращения, то оседание газа к центру сме-
нялось его накоплением в центральной плоскости Протога-
лактики, когда центробежная сила оказывалась сравнимой с
гравитационной. Так сформировалась, по-видимому, плоская
подсистема нашей Галактики.

Что касается звезд, образующихся в наши дни, то здесь
имеются прямые наблюдательные сведения, которые опреде-
ленно указывают на то, что самые молодые звезды находятся
там, где сосредоточены большие массы газа. Наблюдаются да-
же и протозвезды, погруженные в скопления газа и пыли, из
которых они образовались. Так, астрономы полагают, что давно
уже известная, но не вполне обычная, звезда Т Тельца1 — это в

1 Сейчас известно более 700 переменных звезд типа 7 Таи, к которым
принадлежит Т Тельца.
действительности протозвезда, т. е. плотное сгущение, разогре-
ваемое при сжатии за счет потенциальной энергии тяготения.
Светимость протозвезд почти такая же, как у звезд той же мас-
сы, но их размеры значительно больше. Отсюда следует, что их
поверхностные слои заметно холоднее, а их свет краснее, чем у
сформировавшихся звезд. Звезды типа Т Тельца обычно по-
гружены в темные туманности.

Звездообразование часто рассматривают как своего рода
«цепную реакцию». По всей видимости, должно быть какое-то
внешнее воздействие на газопылевое облако, которое ини-
циирует его начальное сжатие так, что гравитация преодоле-
вает внутреннее давление газа. Это может быть столкновение
с соседним молекулярным облаком. Облака хаотически дви-
жутся относительно друг друга в Галактике, и скорость стал-
кивающихся облаков больше, чем скорость звука в их веще-
стве. Такие столкновения будут приводить к формированию
ударных волн на соприкасающихся краях облаков. Ударные
волны в галактическом газе часто возникают в спиральных
рукавах Галактики, и там, действительно, интенсивнс
происходит процесс звездообразования.

Другая возможность связана с взрывами звезд на позд-
них этапах их эволюции, что создает в окружающей среде
взрывную ударную волну. Если это происходит в пределах
нескольких пк от соседнего молекулярного облака, то в нем
вполне может возникнуть достаточное уплотнение, чтобы
инициировать процесс звездообразования.1 Все звезды на-
чинают свое существование как сжимающиеся и далее не
дробящиеся сгущения газа и пыли. В таком сжимающемся
облаке вначале никаких проблем с энергией не возникает,
поскольку выделяющаяся теплота эффективно излучается в
бесконечный резервуар Вселенной. Излучение происходит в
инфракрасном диапазоне спектра, а волны этого диапазона
свободно проходят через разреженный газ. По мере того, как
облако сжимается, его плотность увеличивается настолько,
что оно начинает поглощать излучение. С этого момента зна-
чительная часть генерируемой при коллапсе энергии больше
не может покинуть облако. Оно нагревается, давление в нем
растет, так как энергия распределяется между частицами

1 В космогонии все большее внимание уделяется взаимному влиянию
космических объектов. Свойства звезд и их планетных систем определяются
свойствами скоплений и газовых облаков, в которых они образуются. В то
же время судьбы самих скоплений зависят от свойств образующихся в них
звезд. Это напоминает взаимодействие организмов с окружающей средой,
которое изучается в экологии.
газа и скорости их движения растут. Наконец, возросшее
внутреннее давление уравновешивает силу тяготения: ско-
рость сжатия уменьшается и падает до нуля, температура
возрастает до значения, при котором все облако начинает
светиться и коллапс временно прекращается. Практически
это звезда, как ее представлял себе лорд Кельвин. Однако это
только протозвезда, ибо за счет выделения гравитационной
энергии звезда солнечной массы может поддерживать све-
тимость, равную светимости современного Солнца, лишь в
течение ~ 2-107 лет.

Температура внутри протозвезды постепенно возрастает
из-за того, что вынос энергии наружу идет медленно после
достижения непрозрачности. Во внутренней структуре про-
тозвезды также происходят существенные изменения: плот-
ность не остается однородной во всем объеме, а быстрее на-
растает в центре, чем на периферии. Центральная область
становится со временем все более плотной, а потому и более
горячей, и, наконец, в ней загораются вдерные реакции.
Ядерные реакции начинаются тогда, когда средняя тепловая

Рис. 33. Ядерные реакции
протон-протонной цепочки: свер-
ху показано, как два ядра водоро-
да сталкиваются и образуют ядро
дейтерия; в середине — образова-
ние 3Не; при столкновении двух
таких ядер образуется 4Не

энергия протона в ядре про-
тозвезды достигает значе-
ния, достаточного для пре-
одоления с заметной веро-
ятностью кулоновского барь-
ера, создаваемого другим
протоном. В 1938 г. Г. Бете
и др. предложили два меха-
низма термоядерных реак-
ций образования гелия из
водорода в Солнце: водо-
родный цикл и углеродно-
азотный (CN), или углерод-
ный, цикл. На рис. 33 дано
схематическое представле-
ние водородного цикла, ко-
торый на Солнце играет гла-
венствующую роль.

Ядерное энерговыделе-
ние повышает центральное
давление настолько, что оно
уже становится способным
уравновесить гравитацию.
Общее сжатие протозвезды
прекращается, а вынос
энергии наружу компенсируется термоядерными реакциями
в центре. Так сгущение— протозвезда— превращается в
звезду. Эта последняя стадия гравитационной конденсации
занимает, в зависимости от массы звезды, от нескольких
миллионов лет для массивных звезд до сотен миллионов лет
для звезд, менее массивных, чем Солнце. Для звезды, в не-
драх которой началась реакция синтеза 4Не из водорода, на-
чинается стадия главной последовательности.

Температура в центре звезды автоматически поддержи-
вается такой, что скорость генерации энергии в ядерных ре-
акциях равна потоку энергии, рассеиваемому во внешнюю
среду. Внутреннее строение звезды довольно сильно зависит
от механизма переноса энергии из ее недр наружу. В более
массивных звездах преобладает перенос энергии за счет из-
лучения, и тепловая энергия покидает такие звезды, в основ-
ном именно в виде потока лучистой энергии. Эти звезды на-
зываются голубыми гигантами. В звездах меньших масс та-
кой механизм не осуществим, так как излучение не может
переносить энергию достаточно быстро для поддержания
внешней части звезды достаточно горячей. Если здесь веще-
ство не остается частично ионизованным, то появляются не-
устойчивости, которые приводят к возникновению конвек-
ции, Конвективные беспорядочные движения вносят допол-
нительный вклад в поток лучистой энергии и поддерживают
температуру поверхности вблизи температуры ионизации.
Звезды, в которых конвекция обеспечивает основной пере-
нос энергии, меньше и холоднее, чем голубые гиганты. Они
называются красными карликами. Солнце и другие звезды с
близкими массами, в которых протекает водородный цикл,
лежат в довольно узкой области главной последовательности,
границы которой определяются крайними случаями: голубы-
ми гигантами и красными карликами.

Будут ли более массивные звезды, обладающие большим
запасом водородного топлива, жить пропорционально доль-
ше? Оказывается, что так как выделение гравитационной
энергии у таких звезд интенсивнее, горение происходит при
более высокой температуре. Скорость реакций синтеза очень
чувствительна к температуре, и выгорание ядерного топлива
происходит гораздо быстрее. Такие звезды могут пройти ста-
дию главной последовательности за несколько миллионов, а
не миллиардов лет. Чем больше масса звезды, тем больше ее
энергетический ресурс; но вместе с тем и светимость звезды
тоже тем больше, чем больше масса. Для больших звезд, ко-
торые в три и более раз массивнее Солнца, светимость про-
порциональна кубу массы — это известно и из прямых ас-
трономических наблюдений и из современной теории внут-
реннего строения звезд. Если звезда имеет, скажем, массу ~
50 М>, то ее ядерное горючее может быть израсходовано за
несколько миллионов лет. Поэтому все массивные звезды
нашей Галактики молоды по сравнению с Солнцем. Наблю-
дается их концентрация к лидирующим краям спиральных
рукавов, и именно потому спиральные рукава так ярки. Ис-
ходным материалом для образования этих звезд служит сре-
да, обогащенная углеродом и другими тяжелыми элементами,
роль которых в процессах звездообразования и эволюции
звезд очень существенна.

Резкое возрастание температуры с ростом массы звезды
приводит к тому, что звезда теряет устойчивость. Предел ус-
тойчивости оценивается ~ 60 М&. Тем не менее в 1997 г. в
нашей Галактике была обнаружена самая большая из извест-
ных звезд — «Pistol star». Она расположена на расстоянии
~ 8 кпк от нас, недалеко от центра Галактики в направлении
созвездия Стрельца. Она скрыта от глаз огромными облаками
пыли. Ее оказалось возможным увидеть только благодаря
инфракрасно»^ излучению, которое было зарегистрировано с
помощью аппаратуры, установленной на борту космического
корабля1. Звезда при рождении была в ~ 200 раз тяжелее
Солнца, а ее светимость в ~ 107 раз больше. Размер ее при-
мерно равен орбите Земли. Она интенсивно выбрасы-
вает вещество наружу, и телескоп обнаружил гигантские вы-
бросы ~ 10 Me, происшедшие 4*6 тысяч лет назад. По-види-
мому, еще через 1*3 млн лет она превратится в сверхновую и
взорвется.

5.2.	СОЛНЦЕ

Из-за своей близости к Земле Солнце для нас совершенно
особенная звезда. Мы находимся так близко к нему, что мо-
жем наблюдать подробности его физического устройства.
Поэтому теории строения и эволюции звезд разрабатываются
со ссылками на Солнце и проверяются по нему. Роль Солнца
для существования биосферы настолько велика, что этот па-
раграф мы просто посвятим описанию его строения. Единст-
венным непосредственным источником информации о его
строении и процессах, происходящих в его центральной об-
ласти, являются нейтрино.

1 NASA's Hubble Space Telescope.
Огромное количество нейтрино возникает при образо-
вании дейтерия (см. рис. 33). Если бы мы могли просто и
надежно их детектировать, то-'увидели бы ту область Солн-
ца, где и протекают реакции термоядерного синтеза. К со-
жалению, в настоящее время достаточно развиты только
методы детектирования нейтрино с энергиями, большими,
чем те, которыми обладают нейтрино, возникающие при
слиянии двух протонов. Оказывается, что нейтрино боль-
ших энергий также образуются в недрах Солнца, но про-
исходит это в результате побочных реакций, приводящих к
образованию 8В и его превращению в 8Ве с испусканием
позитрона и нейтрино. Наблюдение нейтрино — исключи-
тельно сложная экспериментальная задача и пока дает по-
ток нейтрино, меньший теоретически ожидаемого значе-
ния, что указывает на необходимость изменить либо наши
теории внутреннего строения звезд, либо, что более веро-
ятно, постановку эксперимента и способ интерпретации
его результатов. Поэтому основу наших знаний о Солнце
составляют сейчас теоретические расчеты и математиче-
ские модели.

Мы уже упоминали, что законы термодинамики позволя-
ют достаточно хорошо описать свойства звезды, т. е. того,
что находится ниже ее фотосферы1 (рис. 34). Внутреннее
строение Солнца обычно определяется в предположении, что
Солнце является сферически симметричным телом и нахо-
дится в равновесии. Модель его внутреннего строения бази-
руется на уравнениях переноса энергии и состояния идеаль-
ного газа, законах Стефана-Больцмана и сохранения энер-
гии, условиях гидростатического, лучистого и конвективного
равновесия. Для построения модели совершенно необходимы
и получаемые из наблюдений значения полной светимости,
полной массы, радиуса Солнца — Ro и данные о его химиче-
ском составе. Наиболее известной является стандартная мо-
дель, в рамках которой все физические параметры зависят
только от расстояния до центра.

Сейчас считается, что внутреннее вращение является
достаточно слабым по сравнению с вращением, наблюдае-
мым на поверхности, и внутреннее магнитное поле также
достаточно слабое. Существенным параметром является со-
держание элементов тяжелее гелия1 2, так как Солнце является

1 Фотосфера — сфера света.

2 Так, в монографии М. Стикса (Stir М. The Sun. An Introduction. Berlin,
1991) относительное весовое содержание элементов, тяжелее гелия, принято
звездой второго поколения, образовавшейся из вещества,
уже частично переработанного в звездах первого поколения.
В центральной области, где энергия генерируется, она пере-
носится наружу за счет излучения, а в нестабильных внеш-
них слоях как за счет конвекции, так и радиации. Существу-
ет много модификаций стандартной модели, слегка разли-
чающихся значениями задаваемых параметров.

зона

Освобождение
ядерной
энергии

Промежуточная
область

Корона

Хромосфера
^Фотосфера

ции

8-10®

Гравитационные, звуковые и
магнитогидродинамические
волны

. , Поток
Солнечный гэнергии
х ветер |

2-1СГ
Диффузия

Ячейки

супергрануля

а®

5-106

5,78-10

Ю6

Температура,К
Плотность,
кг/м3

1,55-107К

1.48-105кг/мэ

излучения

Турбулентная
конвекция

Спикулы

Выходящее
Излучение



Рис. 34. Строение Солнца, некоторые пара-
метры, его характеризующие, и пути переноса
энергии в окружающее пространство

Фундаментальными параметрами являются масса звезды,
ее возраст и химический состав. Зная их, можно вычислить
светимость звезды, эффективную ее температуру и другие
свойства. Рассмотрим экспериментальные оценки этих пара-
метров. Так как нас интересуют параметры не абстрактной
звезды, а Солнца, то начать нужно с расстояния от Земли до

равным 0,017. Необходимо помнить, что нет методов точного и однозначно-
го определения подобных величин.
Солнца. Точное знание его необходимо для количественного оп-
ределения многих основных свойств нашего светила. Среднее
расстояние от Земли до Солнца1 составляет ~ 1,49598-1011 м и
принято за астрономическую единицу (а. е.) (см. табл. П2).

Знание расстояния позволяет нам немедленно с помощью
закона Кеплера определить массу Солнца — Ме, умноженную
на гравитационную постоянную. Что касается размера Солн-
ца, то для нахождения его, радиуса необходимо кроме рас-
стояния до него знать и угловой диаметр видимого диска.
Видимый полудиаметр солнечного диска при среднем рас-
стоянии до Солнца составляет 959,63 угловых секунд. Отсю-
да легко определяется 7?о. Расчеты, выполненные с помощью
стандартной модели, показывают, что в настоящее время
происходит медленное уменьшение этого радиуса со скоро-
стью —2,4 см-год-1. Предпринимаются попытки обнаружить
и более быстрые изменения, связанные, например, с 11-
летними циклами. Зная массу и радиус, легко найти сред-
нюю плотность — ро.

Солнечная светимость I®, т. е. проинтегрированная по
спектру полная энергия, испускаемая Солнцем за 1 с в виде
электромагнитного излучения, определяется как эксперимен-
тально, так и теоретически. Согласно современным измерени-
ям, Lq ~ 3,83-1026 Вт, как и должно быть для звезды такой мас-
сы, находящейся на главной последовательности. Для практи-
ческих целей интерес представляет солнечная постоянная (/ё) —
поток электромагнитного излучения, проходящий на расстоя-
нии 1 а.е. от Солнца через единицу площади, перпендикуляр-
ную направлению распространения. Как видно из рис. 35, ат-
мосфера Земли поглощает и сильно искажает этот спектр, и
поэтому измерения должны проводиться с помощью искусст-
венных спутников Земли. Другой характеристикой, связанной
с fe, является эффективная температура поверхности2: Тоед =
5780 К.

1 Это расстояние в 215 раз больше радиуса солнечного диска.

3 Эффективная температура Солнца определяется разными способами.
Иногда, например, излучению фотосферы сопоставляют излучение черного,
тела с температурой ~ 6000 К (см. рис. 35). Мы будем использовать значение
в'578О К, определяемое с помощью закона Стефанаг-Больцмана, зная L?
и расстояние до Солнца. Этому значению Тое/г соответствует /е - 1368 Вт-м-3.
Не существует какой-то одной «правильной» солнечной температуры, так как
Солнце — сложный объект.
Рис. 35. Спектры испускания, поглощения и
рассеяния солнечного излучения: а— спектры из-
лучения черного тела, соответствующие температу-
рам 6000 К (Солнце) и 255 К (Земля); б— поглоще-
ние солнечного излучения на уровне Земной по-
верхности; в— то же в слое атмосферы выше 11
км; г— -BKKaji&L в суммарное поглощение на уровне
Земли от некоторых газов, входящих в состав ат-
мосферы

Успехи в области геохронологии позволяют сегодня с хо-
рошей точностью определить и возраст солнечной системы.
Геохронометры, основанные как на 87Rb, так и на 238U и
232Th, дают возраст метеороидов1 равным (4,55 ± 0,05)-109
лет.

1 Метеороиды — небольшие по размерам твердые тела солнечной систе-
мы до их вхождения в атмосферу Земли. Метеороиды размером менее не-
скольких сантиметров сгорают в атмосфере Земли и называются метеорами.
Метеороиды больших размеров достигают Земли и называются метеорита-
ми.
Последней характеристикой Солнца, о которой необходимо
упомянуть, является его химический состав. Как мы видели в
предыдущей главе, в образовавшейся Вселенной более 90 ат.%
составлял водород, и, кроме него, в значительном количестве
образовался гелий. Имеется огромное число экспериментальных
определений содержания гелия в Солнце, звездах и в облаках
примордиального газа. Большинство результатов находится в
диапазоне значений б,3-8,9 ат.% Не. Часто приводится значе-
ние 7,8 ат.% (см. табл. 6).

Теперь, зная все необходимые параметры и имея теоре-
тическую модель— стандартную модель, мы можем просле-
дить процесс возникновения и эволюции Солнца и проверить
результаты на самосогласованность. В настоящее время ана-
лиз изотопного состава некоторых метеоритов указывает на
то, что определенный вклад в возмущение, инициировавшее
процесс звездообразования в том облаке, из которого затем
возникла Протосолнечная туманность, мог дать взрыв сверх-
новой. Сюда могла поступить небольшая порция «свежепере-
работанного» вещества, содержащего относительно коротко-
живущие изотопы 2бА1 (период полураспада ~ 7-105 лет) и
продукт его распада 26Mg. Исходными параметрами, харак-
теризовавшими это облако, можно взять температуру ~ 50 К
и плотность ~ 10~20 кг-м~3.

Таблица 6. Химический состав Солнца вне области его ядра1

Элемент	Содержание, атомные %
Водород	92,1
Гелий	7,8
Кислород	0,061
Углерод	0,030
Азот	0,0084
Неон	0,0076
Железо	0,0037
Кремний	0,0031
Магний	0,0024
Сера	0,0015
Остальные	0,0015

Облако обладало угловым моментом и магнитным полем.
Детали процесса сжатия неизвестны, но расчеты показывают,

1 В центральной области Солнца, где образуется гелий из водорода, со-
держание гелия, значительно больше, однако в фотосферу он не поступает.
Поэтому данные табл.б призваны соответствовать первичному составу
Солнца.
что начало процесса можно рассматривать как свобод ное па-
дение газа внутрь. Такой фрагмент исход ного облака, как Про-
тосолнечная туманность, имел плотность порядка 10“17-10“15
кг м~3. По мере того, как основная часть небулы сжималась в
свободном падении, центральная ее часть становилась оптиче-
ски непрозрачной, нагревалась и приходила в состояние гидро-
статического равновесия. За время ~ 106 лет образовалась про-
тозвезда, т. е. газовая сфера, находящаяся в состоянии гидро-
статического равновесия и с наружной температурой ~ 3000 К.

Радиус протозвезды составлял ~ 47?е, а светимость ее бы-
ла в несколько раз больше L®. Температура в центре была ме-
нее 106 К, и единственным источником энергии являлась
гравитационная энергия, запасенная во время коллапса.
Протозвезда постепенно сжималась, нагревалась далее, и,
наконец, в ней загорелся водород. Мы получили молодое
Солнце, вступившее на главную последовательность химиче-
ски гомогенных звезд.

Что касается Солнца, то, согласно стандартной модели,
через ~ 107 лет из начального облака образовалось молодое
Солнце. В какой-то момент этой эволюции начало концен-
трироваться и то вещество, из которого состоят планеты и
метеориты. С учетом этого возраст Солнца часто берут рав-
ным ~ (4,6 ± 0,1)-109 лет. Начиная с этого момента, значения
I?© и Lq возрастали, пока не достигли значений, приведенных
в таблице П5.

Если задать массовую концентрацию гелия ~ 27%, то в
рамках стандартной модели мы получаем, что рдя того, чтобы
Солнце достигло современной его светимости, было необходимо
~ 4,6-109 лет. Мы получаем хорошее согласие с данными по ме-
теоритам. Одновременно получается значение радиуса Солнца,
соответствующее сегодняшнему его значению. Однако резуль-
таты расчетов также критически зависят от содержания тяже-
лых элементов. Поэтому нужно учитывать, что цифра 27% Не
дана в предположении, что массовая концентрация всех более
тяжелых элементов составляет 1,7%.

Как только Солнце оказалось на главной последователь-
ности, концентрация гелия в центре стала возрастать. Парал-
лельно начал возрастать и средний молекулярный вес Солн-
ца. Так как скорость реакции термоядерного синтеза резко
зависит от температуры и плотности, то выделяемая энергия
и, следовательно, светимость Солнца постепенно увеличива-
ются. Расчеты показывают, что за 4,6-109 лет Солнце должно
было стать на ~ 23% ярче по мере выгорания водорода в его
ядре при нахождении на главной последовательности1.

При современном темпе производства и выделения энер-
гии «ядерный реактор» Солнца, формально говоря, обеспечен
горючим еще на десятки миллиардов лет. Эта оценка получа-
ется на основании того, что при превращении водорода в
гелий выделяется в виде энергии излучения ~ 0,7% энергии
покоя вещества, т. е. ~ 1012 Дж на каждый грамм водорода.
При массе водорода в Солнце ~ 1030 кг это означает запас
энергии ~ 1045 Дж. Деление этой энергии на светимость
Солнца и дает гипотетический промежуток времени1 2, в тече-
ние которого весь водород Солнца выгорел бы за счет термо-
ядерных реакций.

Современное значение L® обусловлено превращением в
энергию излучения ~ 4,3-109 кг-сг1 солнечного водорода. Та-
ким образом, за время ~ 1,5-1017 с, проведенное Солнцем на
главной последовательности, оно уже потеряло в весе3, если
учесть и солнечный ветер, ~ 1027 кг. По сравнению с его пол-
ной массой таким уменьшением можно пренебречь. Однако
на стадии, предшествовавшей главной последовательности, и
на заключительной стадии эти потери более заметны. Инте-
ресно отметить, что среднее энерговыделение Солнца, полу-
ченное просто делением L® на М> и равное 1,93-10-4 Вт-кг1,
ничтожно мало по сравнению с типичным энерговыделением
в любом живом организме в процессе его жизнедеятельности
(рис 36).

1 Отметим, что уменьшение солнечной постоянной только на несколько
процентов привело бы сейчас к полному оледенению. Напротив, геологиче-
ские данные ничего не говорят о том, что на протяжении - 3,5-10® лет в ре-
зультате возрастания на - 20% климат непрерывно становился теплее. Все
это свидетельствует об удивительной способности климатоэкологической
системы Земли к самоорганизации н поддержанию себя вблизи некоторого
оптимума, обеспечивающего, в частности, нахождение основной массы воды
в жидком состоянии.

2 Вспомним, что в «Не энергия связи на нуклон ~ 7,1 МэВ. Это составля-
ет 7,1/(1 а.е.м. = 931,5 МэВ) = 0,76%, т. е. ~ 1 % массы каждого нуклона рас-
ходуется на образование ядра гелия. Согласно соотношению Эйнштейна, 1 г
эквивалентен ~ 9-1013 Дж. Прн сгорании каждого грамма водорода в Солнце
высвобождается энергия, эквивалентная 0,0076 г, т. е. - 6,8-10й Дж. Из-
вестно, что водород составлял - 1,4-Ю30 кг из полной массы Солнца, что и
соответствует полному запасу термоядерной энергий 9,5-1044 Дж. Разделив
эту величину на L®, мы получим - 2,66-1018 с, или 84 млрд лет. В действи-
тельности горение будет происходить в несколько раз быстрее.

3 Некоторые звезды теряют ежегодно в весе в 107 раз больше.
Рис. 36. Соотношения между весом и тепловыделе-
нием (метаболизмом) для различных живых организмов.
График экстраполирован в область больших масс, чтобы
включить и энерговыделение Солнца ~ 2-КН Вт-га-1

В центральной области Солнца, где процесс горения проис-
ходит особенно интенсивно, концентрация гелия достигла сей-
час ~ 50 %. В значительной мере подобно тому, как постепенно
собирающаяся зола гасит костер, так и накапливающ ийся ге-
лий будет мешать процессу синтеза. Излучение ядерной энер-
гии станет менее интенсивным и не сможет сдерживать грави-
тационное сжатие. Солнце снова начнет сжиматься и в цен-
тральных областях станет еще более горячим. При температуре
около ста миллионов градусов гелий начнет вступать в реакцию
синтеза. Три ядра гелия, объединяясь, образуют ядро углерода.
И снова масса продукта реакции— 12С будет меньше массы
реагентов — трех атомов 4Не, и поэтому опять будет высвобож-
даться ядерная энергия. Солнце к этому времени расширится.
Его внешняя оболочка в результате разогрева центральных об-
ластей распространится на расстояние более 1 а.е., поглотив
при этом Меркурий, Венеру и Землю. Хотя центр Солнца силь-
но разогреется, внешняя оболочка будет находиться так далеко
от него, что станет холоднее. Следовательно, цвет Солнца ста-
нет вместо желтого красным, и оно сойдет с главной последова-
тельности, превратившись в красного гиганта, затем, сбросив
оболочку, составляющую по массе небольшую часть от Мэ, пре-
вратится в белого карлика. Эффективная температура такого
объекта в несколько раз больше Тее#, но в нем не идут ядерные
реакции, и он будет медленно остывать.

5.3.	СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ

Количество тяжелых элементов определяет строение,
свойства и эволюцию любой звезды, в том числе и Солнца.
Химический состав диска вокруг образующейся звезды оп-
ределяет, какие планеты могут там образоваться и возможно
ли возникновение биосферы. Основным источником тяжелых
элементов являются сверхновые, поэтому нам и необходимо
ознакомиться с ними.

Несмотря на то, что Солнце находится на главной после-
довательности достаточно долго, мы можем для простоты
вначале предположить, что звезды всех поколений в нашей
Галактике и в других галактиках начинают свою эволюцию с
состояния, подобного состоянию Солнца. Мы уже упоминали,
что результат их дальнейшей эволюции, темп и конечный
итог ее самым радикальным образом зависят от массы звез-
ды. Исчерпав за несколько миллионов лет запасы водорода в
центральной своей зоне, массивная звезда вступает в новую
фазу эволюции. Ядерные реакции протекают теперь не в ее
ядре, состоящем уже целиком из гелия, в который «перегорел»
водород, а в тонком слое водорода вокруг этого ядра. Звезда
с такого рода слоевым источником увеличивает свою свети-
мость и как бы разбухает.

Изменения тем временем происходят и в гелиевом ядре
звезды. Оно постепенно сжимается и разогревается; когда
температура достигнет (1-1,5)-108 К, гелий загорится, в нем
начнутся ядерные реакции слияния трех ядер гелия в одно —
углерода. Связанное с этим энерговыделение еще больше ра-
зогревает ядро и возросшее в нем давление останавливает
сжатие. Вместе с тем увеличивается общая светимость звез-
ды, питаемая теперь и слоевым источником и гелиевым
ядром. Как показывают расчеты, несколько повышается из-
за этого и Teff звезды. Эта стадия длится недолго, она короче
первоначальной «солнечной» стадии и завершается исчерпа-
нием гелия в плотном горячем ядре. В центре же его образу-
ется углеродно-кислородное ядро (СО-ядро). Дальнейшая
судьба звезды зависит теперь от массы Мео этого ядра.

В тяжелых ядрах (Мео >1,4 Me), характерных для звезд с
массой М а 8—10 М©, продолжается термоядерное горение
углерода, а затем и более тяжелых ядер. Когда превращения
доходят до группы железа, процесс останавливается, так как
при взаимодействии таких ядер с любыми другими энергия
не только не выделяется, но потребляется. В конечном итоге
образуется железное ядро1 массой Мре ~ 1-3 Me (рис. 37,а).
Ядра железа начинают захватывать электроны, и централь-
ная область ядра сжимается дальше, пока такая звезда не
взрывается или коллапсирует1 2, порождая нейтронную звезду.
При этом выделяется огромная энергия, и мы наблюдаем
взрыв сверхновой.

При массе звезды между' 4 и 10 Мв наиболее вероятным
является сценарий, представленный на рис. 37,6. В этом слу-
чае СО-ядро с массой Мео 5 1,4 Me окружено водородно-
гелиевыми оболочками. За счет внешних оболочек масса уг-
леродно-кислородного ядра возрастает до 1,4 Me, плотность и
температура внутри него достигают р а 3-1012 кг-м*3 * и Т г
3-108 К и происходит либо термоядерный углеродный взрыв,
который приводит к полному разлету всей звезды, либо раз-
вивается гравитационный коллапс.

Рис. 37. Возможные стадии, предшест-
вующие взрыву сверхновой: а — М ъ 10 Me, яд-
ро из плотного газообразного железа окружено
слоями из более легких элементов, это ядро не-
устойчиво и при его взрыве наружные оболоч-
ки разлетаются в пространство; б — М < 10 Me.
В недрах звезды образуется углеродное ядро,
аналогичное белому карлику, и когда его масса
превысит - 1,2 Мо, наступит взрыв. Масштабы
на рисунках разные

1 То есть ядро, состоящее в основном из элементов группы железа.

2 Интересно сравнить энергетику двух конкурирующих здесь процессов:

термоядерного взрыва и гравитационного коллапса При термоядерном

взрыве массы водорода, равной Me, выделяется энергия - 1O*S Дж, а при

гравитационном коллапсе — Ю^-Ю47 Дж.
Таким образом, сверхновыми звездами принято называть
такие звезды, взрывы которых сопровождаются полным
энерговыделением - 1044 Дж. При любых других звездных
вспышках выделяется значительно меньше энергии, напри-
мер, при вспышках так называемых новых звезд — не более
1039 Дж. Сверхновые обычно делятся на два типа (I и II). В
отличие от других процессов, связанных со звездами, взрыв
сверхновой — это катастрофическое событие для звезды, оз-
начающее конец ее активности.

В нашей Галактике вспышки сверхновых происходят ред-
ко. Последняя из них наблюдалась в 1604 г. (всего же с начала
нашей эры зафиксировано 7 событий: в 185, 393, 1006, 1181,
1054, 1572 и 1604 гг.). Такие события могут происходить и не
очень далеко от нас. Предполагается, что в сфере радиусом 100
пк каждые 100 тыс. лет в среднем должен происходить один
взрыв сверхновой. Согласно данным палеоастрофизики, по-
добное явление произошло последний раз 35 тыс. лет тому на-
зад на расстоянии 50 пк от солнечной системы1.

Из наблюдений более 400 внегалактических сверхновых
и в результате исследования - 100 галактических туманно-
стей, являющихся остатками взрывов (разлетающихся оболо-
чек) сверхновых, можно предложить следующую классифи-
кацию, приведенную в табл. 7.

Таблица 7. Усредненные параметры результатов взрывов сверхновых я
параметры сверхновой SN 1987А (10-2 с — время коллапса ее ядра)

Тип	Масса' исходной звезды	Свети- мость в макси- муме блеска, Вт	Полная энергия эл,- магнит- ного из- лучения, Дж	Кинет, энергия оболочки, сброшен, звездой при взрыве, Дж	Масса сброшен, оболочки,  Мо	Харак- терное • время
I	<8М	-3-1036	-51042	-5-1043	0,05-0,5	-10 суг.
II		-4-10“	- 1042	- 1044	>5Мо	очень быстро
SN 1987А	-20	- 10“	- 1022Le1 2	~ 1044		10-2 с

1 Палеоастрофизика — область науки, охватывающая совокупность ас-
трофизических явлений, сигналы от которых достигли Солнечной системы
до возникновения инструментальной астрономии.

2 Светимость, обусловленная нейтрино.
Классический взрыв сверхновой заключается в том, что
материал из внешних слоев с огромной скоростью падает на
ядро и отскакивает от него. Ядро прекращает сжатие, и вне-
запно его поверхность оказывается твердой для падающего га-
за. В результате столкновения образуется ударная волна, кото-
рая сметает внешние оболочки звезды. Количество выброшен-
ного наружу вещества зависит от массы исходной звезды.

Что касается деления сверхновых на типы, то можно ска-
зать, что материнская звезда сверхновых I типа менее мас-
сивна, а в максимуме блеска они в среднем в три раза ярче
сверхновых II типа1. В спектрах сверхновых I типа отсутст-
вуют линии водорода. Для них характерна потеря значитель-
ной доли вещества на промежуточных этапах эволюции, и
отделившиеся их оболочки расширяются в ~ 2 раза быстрее.
Предсверхновая звезда I типа должна представлять собой
почти голое СО-ядро с Мео ~ 1,4 Me. В случае сверхновой II
типа основная часть массы теряется при вспышке.

Что происходит со звездой дальше? Звезда теряет свою
оболочку — ее наружные слои отделяются от ядра и расши-
ряются, образуя то, что астрономы наблюдают издавна и на-
зывают планетарной туманностью. Что же касается ядра, то
все зависит от его массы. Если масса не больше, чем 1,2 Me,
то ядро обнажается и предстает как звезда малого размера с
довольно высокой температурой. Такие звезды известны как
белые карлики— белые из-за их цвета, соответствующего
высокой эффективной температуре, а карлики из-за неболь-
шой светимости. В такой звезде тяготение уравновешено
квантово-механическим эффектом давления вырожденного
газа электронов. Излучая свет и постепенно остывая, эти
звезды за миллиард лет (или около того) станут невидимыми,
излучив значительную часть своей тепловой энергии.

При массе ядра, превышающей 1,2 Me, давление вырож-
денных электронов недостаточно, чтобы противодействовать
тяготению и остановить его. Сжатие звезды продолжается, дос;
тигаются все большие плотности, и вместе с этим изменяется
состав вещества звезды: электроны как бы вдавливаются в яд-
ра и сливаются с протонами, превращая их тем самым в ней-
троны. Нейтронная звезда имеет плотность, сравнимую с плот-

1 Для сверхновых I типа характерно заметное сходство у отдельных объ-
ектов как спектральных, так и фотометрических свойств (кривых блеска). У
сверхновых П типа кривые блеска отличаются разнообразием форм и мень-
шей светимостью в максимуме этой кривой.
ностью атомных ядер. Радиус нейтронной звезды около десяти
километров, т. е. ~ IO5/?©.

Период вращения звезды убывает пропорционально квад-
рату диаметра. Если Солнце сжать до размера нейтронной
звезды, оно будет вращаться с периодом около одной секунды,
типичным для пульсаров. Очень важно, что при сжатии звезды
возрастает не только скорость вращения, но также и ее маг-
нитное поле — оно усиливается обратно пропорционально
квадрату радиуса. При достижении плотностей, характерных
для нейтронной звезды, магнитное поле может оказаться в де-
сятки и сотни миллиардов раз сильнее, чем в исходном состоя-
нии звезды. Среднее поле Солнца составляет ~ КУ4 Тл; при сжа-
тии до радиуса нейтронной звезды его напряженность оказа-
лась бы равной 106 Тл. Магнитные поля некоторых пульсаров
еще сильнее и достигают 3-108 Тл. Именно магнитное поле и
формирует пучок радиоволн, излучаемых пульсаром, а этот пу-
чок вращается, как луч маяка, с частотой вращения нейтрон-
ной звезды.

Какова судьба звезды, масса которой все еще превышает
2Мэ? Силы тяготения в этом случае столь велики, что никакая
упругость вещества — ни тепловая, ни квантово-механи-
ческая — не может им противостоять. Сжатие такой массивной
звезды после исчерпания источников ядерной энергии неудер-
жимо и необратимо — она превращается в черную дыру.

Вспышки сверхновых известны издавна; яркое описание
такого явления, происшедшего в нашей Галактике в 1054 г.,
имеется в китайских хрониках. «Звезда-гостья», как называли
ее хроники, была видна даже даем, уступая блеском днем толь-
ко Солнцу, а ночью— Луне. Оболочка, сброшенная при этом,
видна на небе до сих пор— это знаменитая Крабовидная ту-
манность, изучаемая астрономами уже более двух веков.

23 февраля 1987 г. мы узнали, что на расстоянии ~ 52 кпк
от Земли в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхно-
вая на том самом месте, где раньше мы видели обычную звез-
ду. Характеристики сверхновой обусловлены звездой-предше-
ственницей. В широком смысле SN1987A— сверхновая II типа,
энергия ее взрыва вызвана гравитационным коллапсом ее яд-
ра. Она была известна как Сандулик-69°202 — голубой сверхги-
гант с яркостью ~ 80000 L& к Сейчас мы можем предположить,
что эта звезда родилась ~ 11 млн лет назад с массой ~ 18 М> и

1 Она названа по имени астронома Н. Сандулика, который занес ее в
каталог.
светимостью - 30000 L© (рис. 38). В течение - 10 млн лет она
вырабатывала свои запасы водорода.

ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ, К

Рис. 38. История звезды Сандулик-69°202. Представлена
самая верхняя часть диаграммы Герцшпрунга—Рессела, изо-
браженной на рис. 21

Когда во внутренней области, составляющей 30% массы
звезды, закончилось превращение водорода в гелий, цен-
тральные слои стали постепенно сжиматься. В ответ на это
оболочка расширилась и охладилась. Звезда сошла с главной
последовательности и сдвинулась вправо. Ядро сжималось
десятки тысяч лет от плотности р = 6-103 кг-м*3 до 1.1-106
кг-м-3, при этом оно нагрелось от 40 до 190 млн К; загорелся
гелий. В то же время внешняя оболочка (состоящая в основ-
ном из несгоревшего водорода) расширилась до размера
~ 3-108 км. Звезда стала сверхгигантом.

Затем основная часть гелия превратилась в углерод и ки-
слород. После этого загорелся углерод при 740 млн К и плот-
ности - 2,4-108 кг-мА В результате образовалась смесь неона,
магния и натрия. Затем подошла очередь неона, и неон заго-
релся при температуре 1,6 млрд Кир- 7,4-109 кг-м~3, далее
кислород загорелся при температуре 2,1 млрд Кир- 1,6-1010
кг-м~3, и, наконец, кремний и сера загорелись при темпера-
туре 3 млрд Кир- 5,0-1010 кг-м"3. Они горели примерно не-
делю, превращаясь в железо — последний элемент, образую-
щийся в цепочке реакций синтеза. В центре предсверхновой
температура достигла - 1013К и р - 1013 кг-мА
Недра такой звезды действительно напоминают космиче-
скую луковицу, где элементы расположены слоями в порядке
возрастания атомного веса в направлении к ее центру (рис.
39). При горении каждого вида ядерно го горючего выделя-
лась примерно одинаковая полная энергия, но при Т > 500
млн К, начиная с горения углерода, включился новый меха-
низм. Фотоны превращались в пары электрон — позитрон,
которые аннигилировали снова в фотоны, но иногда и в па-
ры нейтрино — антинейтрино. Так как нейтрино почти не
взаимодействуют с веществом, им легче уйти, чем у-квантам.
Они достаточно эффективно охлаждают звезду, препятствуя
тепловому взрыву. Теперь потери энергии, связанные с ис-
пусканием нейтрино, превосходят энергию излучения.

Рис. 39. Структура голубого сверхгиганта Сандулик-б9°202 перед пре-
вращением его в сверхновую — SN1987A. Приведены диаметры каждой из
оболочек такой космической луковицы, а также ее температура, масса и
средняя плотность: а — внешний вид; б — внутренняя часть, увеличенная в
600 раз, где находится гелиевое ядро, размеры которого ~ в 4 раза больше
размера Юпитера; в — увеличенное еще в 10 раз ядро предсверхновой, в
котором виден продукт горения гелия — ядро из углерода и кислорода; г —
увеличенное еще в 10 раз ядро звезды перед моментом взрыва.

Компактное ядро начало тормозить теперь ускользающие
нейтрино. Вероятно, именно их поток оказался способным
сбросить внешнюю оболочку звезды. Таким образом, ядро
звезды взорвалось внутрь, внешние слои — наружу. В тече-
ние первых 10 с этого катастрофического события ее цен-
тральная область поперечником 32 км излучала столько энер-
гии, сколько все остальные звезды и галактики в наблюдае-
мой Вселенной. Энергия 10-секундной вспышки была в 100
раз больше, чем излучает Солнце за 10 млрд лет. Сверхновая
достигла светимости 200 млн L©, но это малая часть общих
потерь энергии, так как, например, нейтрино унесли в
30 000 раз больше.
Большой интерес представляет масса оставшегося после
взрыва ядра. От этого зависит, что осталось в центре: ней-
тронная звезда или черная дыра. В любом случае ученые
впервые наблюдали выброс в космическое пространство ог-
ромного количества радиоактивных изотопов железа, никеля
и кобальта. Большее количество (~ 0,08 массы Земли) соста-
вил 56Ni, распадающийся с периодом полураспада 6,1 сут в
56Со, а последний с периодом полураспада 77,1 сут в ста-
бильный изотоп 56Fe. Свечение образовавшейся после взрыва
туманности было обусловлено в основном поглощением у-
излучения этих радионуклидов и спадало с характерным
временем, определяемым периодом полураспада 5бСо.

Химический состав Галактики, Солнечной системы, Земли
и биосферы представляет первостепенный интерес для гло-
бальной экологии, поэтому мы уже не раз упоминали о важной
роли сверхновых в химической эволюции галактик. Мы знаем,
что первая и наиболее активная стадия эволюции Вселенной,
начавшаяся Большим взрывом, приводит к первичному нук-
леосинтезу, т. е. образованию Щ, 4Не и пренебрежимо малого
количества других легких элементов. Свойства галактик и про-
цессы, в них происходящие, определяются затем в значитель-
ной степени свойствами водорода. В первую очередь это отно-
сится к образованию звезд и происходящей в них переработке
водорода в более тяжелые элементы. Глубоко проэволюциони-
ровавшая звезда богата тяжелыми элементами, которые синте-
зировались в ее недрах при повышении температуры и плотно-
сти в сменяющих друг друга термоядерных реакциях.

Помимо термоядерного синтеза интенсивно происходят
реакции, обусловленные гигантскими потоками нейтронов, а
также других элементарных частиц, многократно взаимодей-
ствующих с продуктами нуклеосинтеза (в первую очередь с
элементами группы железа). Взрыв сверхновой разбрасывает
это обогащенное тяжелыми элементами вещество по галак-
тике. Какой в действительности будет состав выброшенного
в космос вещества, зависит от того, на какой стадии оборва-
лась эволюция звезды. По современным оценкам ~ 1% от
массы видимого вещества в нашей Галактике составляют
элементы тяжелее гелия. Это требует вспышки сверхновой в
среднем раз в 30 лет и выброс при этом ~ 5 М© переработан-
ного вещества. Мы этого не наблюдаем и, по-видимому,
раньше такие вспышки происходили чаще.

Под нуклеосинтезом мы будем понимать цепочки ядерных
реакций, ведущие к образованию более тяжелых атомных ядер
из менее тяжелых. На рис. 40 приведена зависимость относи-
тельной распространенности химических элементов на Солнце
от их атомной массы А (см. табл. 6). Распространенность резко
падает до циркония (А = 40), а затем снижается постепенно.
Ядра с четным А количественно преобладают над ядрами с не-
четным А. Особенно выделяются группы атомов, у которых яд-
ра имеют числа протонов или нейтронов равными 2, 8, 14, 20,
28, 50, 82 и 126 (магические ядра).

Рис. 40. Атомный состав Солнца, по данным
Зюсса и Юри. N— число нейтронов

Из числа нематических ядер особенно обилен изотоп 56Fe и
соседние с ним элементы — область «железного пика». Так как
реакции между заряженными частицами требуют преодоления
кулоновского барьера, а энергии в среднем здесь не велики, то
элементы, расположенные справа от «железного пика», образу-
ются в первую очередь в реакциях под действием нейтронов.

Реакции под действием нейтронов обычно делят на два
класса: s-процессы и r-процессы. Если среднее время между
двумя последовательными захватами нейтронов таково, что
заметная доля образовавшихся ядер распадется за счет ₽-
распада, то говорят, что имеет место s-процесс. В результате
таких процессов образуются ядра до 209Bi. При r-процессе ядро
успевает захватить несколько нейтронов до того, как становит-
ся настолько неустойчивым, что теряет способность захваты-
вать нейтроны и распадается. Для эффективного протекания г-
процесса плотность потока нейтронов должна достигать ~ 1024-
1030 нейтрон-см'2-с~1, что возможно лишь в начальный момент
вспышки сверхновой звезды. В результате r-процесса образу-
ются богатые нейтронами тяжелые элементы (в том числе U, Th)
с массовыми числами до 270. Можно сказать, что г-процессом
создаются изотопы, богатые нейтронами, а s-процессом — изо-
топы с относительно большим числом протонов. Изотопы, кото-
рые не могут быть образованы цепочкой нейтронных захватов,
могут возникать в р-процессе, т. е. в реакциях под действием
протонов. Однако интенсивность таких процессов не велика.

Образование дейтерия, лития, бериллия и бора (см. рис.
40) связывают с реакциями скалывания. В этих реакциях
легкие частицы космических лучей, сталкиваясь с более тя-
желыми ядрами, образуют указанные выше элементы. В на-
стоящее время предполагается, что в образовании этих ядер,
а также некоторых других, малораспространенных ядер, за-
метную роль может играть и нейтринный нуклеосинтез, ко-
торый возможен в окрестности звезд, испытывающих грави-
тационный коллапс и излучающих мощные потоки нейтрино.

В заключение отметим, что если бы «слабое» взаимодей-
ствие оказалось значительно слабее, то нейтрино были бы не
в состоянии оказать достаточное воздействие на внешнюю
оболочку звезды и вызвать взрыв сверхновой. Если бы «сла-
бое» взаимодействие оказалось значительно сильнее, то ней-
трино были бы захвачены ядром звезды и тоже не оказали
бы воздействия на внешнюю оболочку звезды. В любом слу-
чае химический состав Вселенной существенно отличался от
наблюдаемого, а планеты типа нашей Земли не существо-
вали.

5.4.	СПОКОЙНОЕ СОЛНЦЕ

После того, как мы познакомились с образованием, ос-
новными характеристиками и эволюцией звезд главной по-
следовательности, мы снова вернемся к Солнцу, чтобы более
детально ознакомиться с его свойствами. При описании сол-
нечных явлений удобно разделять эти явления на спокойные
и активные. Упоминавшаяся в разделе 5.2 стандартная мо-
дель — это модель спокойного Солнца. На ее основе удобно
последовательно рассматривать ядро, конвективную зону,
фотосферу, хромосферу и корону и следить за превраптения-
ми солнечной энергии, освобождающейся в недрах Солнца.
Своеобразие физических характеристик каждой из этих об-
ластей зависит от того, как проявляет себя в ней поток энер-
гии, движущийся наружу. Без этой модели невозможно было
бы понять и явления солнечной активности.

Прежде всего вернемся к средней плотности Солнца и его
размеру. Значение р© = 1,409-103 кг-м*3 несет в себе в дейст-
вительности немного полезной информации, так как Солн-
це — это газовый шар, существующий за счет равновесия
между гравитацией и внутренним давлением, и по мере уда-
ления от центра его плотность падает. Более того, значение
р© зависит от размера. А где провести границу у газового
шара? Возможно там, где плотность равна плотности воздуха
при нормальных условиях- Рпогт =1,3 кг-м*3?

Проще всего определить размер и плотность солнечного
ядра, так как здесь граничные условия накладывают требо-
вания, диктуемые скоростью протекания ядерных реакций,
необходимых для обеспечения наблюдаемой светимости
Солнца. Его внутренняя область имеет размер ~ 0,25 1?©,
плотность в центре составляет ~ 1,48-105 кг-м*3 и уменьшает-
ся к внешней границе этой области до ~ 2-104 кг-м*3. В ядре
сосредоточена примерно половина массы Солнца. Энергия,
генерируемая в этой области за счет термоядерных реак-
ций, выносится наружу за счет излучения. Из-за высокой
плотности среды излучение поглощается и испускается
много раз. Возникающие в ядерных реакциях у-кванты в
результате огромного числа последовательных актов взаи-
модействия с веществом превращаются в тепловые фото-
ны, характеризующие видимую нами поверхность Солнца
(фотосферу).

По мере продвижения к поверхности Солнца плотность
вещества падает. Температура также понижается, и свобод-
ные электроны все с большей вероятностью могут быть за-
хвачены атомами. Эффективность передачи энергии посред-
ством излучения уменьшается. Возникают большие градиен-
ты температуры, и выгодным механизмом передачи энергии
постепенно становится конвекция. Мы оказываемся на гра-
нице. промежуточной области и конвективной зоны и дви-
жемся дальше вдоль направления градиентов температуры и
давления.
Тепловые фотоны перепоглощаются газом, который ока-
зывается непрозрачным для них. Непрозрачность в верхней
конвективной зоне в основном обусловлена поглощением фо-
тонов отрицательно заряженными ионами водорода. Веще-
ство как бы вскипает. Согласно гелиосейсмологическим из-
мерениям, такая область начинается на расстоянии ~ 0,75
7?0. Плотность вещества на нижней границе этой зоны ~ 10
кг-м-3 (менее чем в 10 раз превосходит рПопп), а температура ~
6-Ю5 К.

Конвективная зона практически достигает солнечной по-
верхности, и в ней можно выделить три или четыре слоя, не-
сколько различающихся по характеру процессов (см. рис. 34).
Представленное на рисунке изображение Солнца основыва-
ется на расчетах, выполненных с помощью стандартной сол-
нечной модели и известных к настоящему времени условий
на его поверхности. Внутри конвективной зоны имеют место
Крупномасштабные движения вещества, в результате кото-
рых нагретое вещество переносится к поверхности. Конвек-
тивные ячейки напоминают вихри в земной атмосфере. Тур-
булентность создает и звуковые волны, которые в виде низ-
кочастотных механических колебаний достигают верхних
Слоев атмосферы Солнца, сообщая им энергию. Механиче-
скую энергию переносят наверх и гравитационные волны,
генерируемые в фотосфере проникающими туда конвектив-
ными ячейками.

В 1960 г. было обнаружено, что солнечная атмосфера
«дышит» с периодом ~ 5 мин. Газ периодически поднимается
И опускается, проходя за каждый период расстояние по вер-
тикали - 50 км. Таким образом, волны раскачивают фото-
сферу, заставляя ее то подниматься, то опускаться.

Температуру фотосферы обычно принимают равной Теед,
а плотность на нижней границе меньшей ICT3 pnorm. Радиация
может теперь покидать Солнце, и радиационный механизм
Передачи энергии снова становится определяющим. Несмот-
ря на то, что Солнце является газообразным объектом, мы
Четко выделяем его поверхность — фотосферу. Так как внут-
ри Солнца средняя длина пробега фотонов1 ~ 1 см, а среда
изотропна, то энергии излучения, возникшей в центре, тре-
буются миллионы лет, чтобы достигнуть поверхности Солнца,
и затем чуть более 8 мин нужно для того, чтобы часть ее дос-

1 Гипотетический наблюдатель мог бы там видеть только на расстоянии
~ 1 см.














чтигла Земли. Фотосферой называют ту область (ту поверх-
ность), начиная с которой большинство фотонов излучается и
уходит в пространство без дальнейших взаимодействий.
Считается, что средняя длина пробега фотонов, выраженная
’ .в массовых единицах, становится больше, чем масса вещест-
гва, которую остается пройти фотону, чтобы покинуть атмо-
сферу Солнца. Из практических соображений принято счи-
..тать за нулевой уровень солнечной атмосферы тот уровень,
начиная с которого фотоны с Л. = 500 нм имеют оптический
;путь, равный единице1. Наблюдаемый нами резкий край у
-желтого диска Солнца определяется тем, что для видимого
нами излучения переход от полной непрозрачности к высо-
кой прозрачности происходит в слое толщиной - 500 км, что
менее 10~3 7?© или 1 угловой секунды. Для глаза, имеющего
разрешение порядка угловой минуты, это действительно рез-
кая граница.

Уходя в пространство, радиация охлаждает вещество
Солнца, а это, в свою очередь, способствует конвекции.
Именно в фотосфере формируется излучение со спектром,
близким к спектру излучения черного тела* 2. Это излучение
уносит почти всю энергию, испускаемую Солнцем. На это
излучение накладываются узкие линии поглощения — фраун-
гоферовы линии. Число этих линий превышает 20 тыс., са-
мые интенсивные из которых представлены на рис. 41. Ис-
следование их формы дает сведения о химическом составе
солнечной атмосферы и о физических условиях тех областей,
которым соответствуют фраунгоферовы линии.

 Рассмотрение солнечной атмосферы начнем с фотосфе-
ры. Фотосфера не является однородной гомогенной областью.
Видимая структура фотосферы отражает турбулентную
структуру нижней фотосферы и частично конвективной зо-
ны, в которых вещество с температурой в несколько миллио-
нов градусов движется наружу и охлаждается, достигая фо-
тосферы, до температуры ~ 6000 К.

Фотоны с этой длиной волны наиболее вероятно испускаются телом с
T^ff 000 К (см. рис. 34), а нулевой уровень — это тот уровень, с которого
Они с роятностыо 1 /е могут покинуть Солнце.

2 Начиная с фотосферы, существенным источником наших знаний о

явлениях на Солнце становятся наблюдения.


Са II триплет 11545,11707,11767

На 15237

Mg I дублет 19292.19332

Н₽ 20571

Fei 22812

НУ.НБ 23039,24380

Fei 24723

Са II дублет 25202, 25426

Рис. 41. Спектры излучения Солнца на верхней
границе атмосферы Земли, полученные с помощью
компьютерных расчетов1. Черная кривая соответствует
данным, имевшимся на конец 1990 г., серая кривая —
современным данным. Под графиком приведены вол-
новые числа самых интенсивных фраунгоферовых ли-
ний

Естественно, что такая неравновесность должна приво-
дить к возникновению неравновесных структур в верхней
части конвективной зоны. Согласно главе 3, здесь же должны
возникать и диссипативные структуры. Одним из проявле-
ний этого являются непрерывно формирующиеся гранулы.
Ячейки конвекции подымаются к поверхности, излучают там
избыточную теплоту, и остывший газ стекает вдоль их внеш-
них краев, а ячейка распадается1 2. Таким образом, гранулы
представляют собой яркие пятна более или менее округлой
формы размером ~ 1000 км. Время их жизни от ~ 5 до - 20
мин. Контраст яркости гранул равен примерно 20%, что со-
ответствует разнице в температуре в среднем 300 К. В отли-
чие от других образований, на поверхности Солнца грануля-
ция одинакова на всех гелиографических широтах и не зави-

1 Волновое число — это число длин волн на единицу длины (5000 см~‘
соответствует длине волны 2 мкм).

2 В центре гранулы, вероятно, бьет фонтан горячего газа. Он достигает
максимальной высоты, падает обратно, охлаждается, темнеет и опускается в
глубину. Поэтому края гранул темнее их центра.
сит от солнечной активности. На границе фотосферы суще-
ствуют и более крупномасштабные движения — суперграну-
ляция — скопления гранул, достигающие ~ 30 000 км.

За несколько мгновений до полного солнечного затмения
на краю солнечного диска появляется яркая алая вспышка,
которая продолжается несколько секунд. Это дает о себе
знать хромосфера1 — прозрачный слой, расположенный над
фотосферой. Ее алый цвет определяется тем, что в спектре ее
излучения преобладает красная линия На, которая наиболее
вероятно возбуждается при хромосферных температурах. В
фотосфере она одна из самых темных, с чрезвычайно силь-
ным поглощением. Хромосфера— это переходная область
толщиной ~ 1500-2000 км в невозмущенном состоянии. В
этой области плотность очень резко убывает с высотой (см.
рис. 34). Казалось бы, такой слой должен поглощать мало лу-
чистой энергии. В то же время он может беспрепятственно
излучать ее и, следовательно, температура должна умень-
шаться. В действительности, температура достигает своего
минимума у основания хромосферы ~ 4200 К и затем возрас-
тает сначала медленно, а потом быстро в переходной области
к короне до - 106 К. Такое нагревание обусловлено поглоще-
нием в переходной области и вышележащей короне генери-
рованных в конвективной зоне волн. Эти волны нерадиаци-
онного происхождения, а энергия их невелика, но вполне
достаточна для такого повышения температуры. Для практи-
ческих целей хромосферу часто определяют как область вы-
ше фотосферы, температура которой изменяется от мини-
мальной до 25 000 К. Поэтому основное излучение, испус-
каемое хромосферой, представляет собой коротковолновое
УФ излучение.

Так как температура в атмосфере меняется с высотой, то
на разных высотах основными источниками линий поглоще-
ния (иногда линий излучения) являются различные атомные
переходы в разных элементах. Для их наблюдений раньше
широко использовали методику узкополосных фильтров1?. Эти
фильтры пропускают без заметного поглощения излучение в
очень узком интервале длин волн, центрированном на опре-
деленной спектральной линии. С их помощью ученые регист-
рируют излучение только от вполне определенных слоев сол-
нечной атмосферы.

1 Хромосфера — сфера цвета.

3 Для выделения узкой спектральной полосы в этих фильтрах использу-
ется эффект интерференции.
Ввиду того, что плотность хромосферы убывает очень
быстро, кинетическая энергия вещества становится меньше
энергии магнитного поля. Кроме того, горячий хромосфер-
ный газ оказывается пронизан относительно холодным излу-
чением1 и с этого момента температура излучения и вещест-
ва оказываются разными. Хромосферные структуры можно
проследить до высоты ~ 14 000 км над фотосферой, если на-
блюдать их в свете излучения К-линии ионов Са+.

Как хромосфера, так и фотосфера хорошо структуриро-
ваны и поэтому можно обнаружить структуры хромосферной
плазмы в середине корональных газов. В этом отношении
хромосфера — это та часть атмосферы, куда структуры фо-
тосферы переносятся посредством магнитного поля, которое
становится в этой области доминирующим по отношению к
гидродинамическим силам. Изучение яркости хромосферы с
помощью узкополосных фильтров позволило обнаружить
хромосферную сетку, состоящую из отдельных узелков: мел-
ких с диаметром 1000 км и крупных с диаметром от 2000 до
8000 км. Крупные узелки представляют собой скопления
мелких. Эта сетка соответствует очертаниям глубоко распо-
ложенных конвективных ячеек и определяется также супер-
грануляцией. Сетка совпадает с областями усиленного маг-
нитного поля. Подобно очертаниям земных облаков, сетка
непрерывно меняется. Характерное время ее жизни около
одного дня. Если же мы будем рассматривать солнечный
диск в красном свете линии водорода и в свете синей линии
ионизованного кальция, то при замене фильтров мы можем
увидеть также и фотосферную сетку. Она совпадает с круп-
номасштабной структурой хромосферы.

Для фотосферы характерными были гранулы, а хромосфе-
ра представляется наблюдателю как неровная полоска на краю
диска Солнца, из которой выступают отдельные зубчики —
хромосферные спикулы (копья). Это яркие струи светящегося
газа, подымающиеся на высоту до 20 000 км и существующие
несколько минут1 2. Спикулы начинаются в хромосфере, глав-

1 Действительно, подавляющая часть видимого излучения испущена
нижележащей атмосферой и самой нижней частью хромосферы, где плот-
ность вещества была еще заметной. Температура вещества теперь превыси-
ла 10 000 К, и оно стало горячее излучения. Однако количество его, а следо-
вательно, н испускаемого им излучения очень мало.

2 В ультрафиолетовом излучении удалось наблюдать гигантские спикулы
высотой 40 000 км и шириной, в два раза превышающей размеры Земли.
Эти спикулы существовали около часа. Они являются одним из проявлений
вспененной структуры хромосферы, из которой вещество может выплески-
ваться со скоростями, превышающими 150 км-с1.
ным образом на границе супергранул, и простираются в
корону.

Выше находится переходная область — очень тонкий
слой, где температура возрастает от 25 000 К до 106 К. Эта
область практически не вносит вклада в полный поток излу-
чения, но она важна для изучения солнечной атмосферы по-.
тому, что наблюдение Солнца в эмиссионных линиях ионов,
которые испускаются в переходной области, дает возмож-
ность определить границу между хромосферными и коро-
нальными структурами.

Корона — верхняя часть атмосферы Солнца. Она имеет
температуру ~ (1-2)-106 К и плавно переходит в межпланетную
среду. Высокая температура короны поддерживается за счет
энергии, выделяющейся при диссипации поднимающихся из
фотосферы магнитных полей и диссипации звуковых и альф-
веновских волн, возбуждаемых конвекцией в фотосфере.

При рассмотрении явлений в короне нужно с осторожно-
стью пользоваться термодинамикой. Само понятие температу-
ры для оценки энергетического состояния коронального газа
уже неприменимо. Что считать атмосферой спокойного Солнца
применительно к короне? Для фотосферы и хромосферы — это
их невозмущенные участки. В случае короны практически вся
видимая масса так или иначе связана с нижележащими актив-
ными областями. Здесь следует принимать во внимание прежде
всего стационарность структуры соответствующих областей и
характерные времена процессов. К стационарным можно отне-
сти, например, те образования, для которых характерное время
изменения структуры исчисляется десятками часов и более
длительными интервалами.

Корона структурирована благодаря магнитным полям, а
ее динамика определяется магнитно-наведенными движе-
ниями, внезапными выбросами энергии и вещества и их
взрывным распространением в окружающее пространство.
Различные области, подобные корональным дырам1, стри-

1 Корональные дыры — это области, которые почти не излучают рентге-
новского и УФ излучения. До тех пор, пока приборы не были вынесены в
космос, атмосфера Земли надежно укрывала эти образования от глаз уче-
ных. Плотность горячего газа в корональной дыре составляет - 30% от нор-
мальной плотности короны спокойного Солнца. Температура дыры примерно
в два раза меньше температуры остальной части короны. Отличительной
особенностью корональной дыры является ее магнитное поле, которое внут-
ри корональных дыр разомкнуто и открыто во внешнее межпланетное про-
странство. По сути дела, корональная дыра — это область короны, которая
более холодна и имеет низкую плотность. В области корональной дыры сла-
бое магнитное поле, расширяясь, вытягивается в направлении от Солнца.
мерам1, петлеобразным структурам* 1 2 и радиально растянутым
ярким областям, а также шлемам и щеточкам, отличаются от
места к месту по температуре (~ 50%)3 и еще более по плотно-
сти: от одного до двух порядков величины.

Свечение короны в непрерывном спектре обусловлено
рассеянием света Солнца на электронах. Наблюдаются силь-
ные запрещенные линии высокоионизованных тяжелых эле-
ментов. Из-за ее крайне низкой плотности корона имеет све-
тимость в видимом свете ~ 10-6 от светимости фотосферы4 и
наблюдать ее очень трудно. Основное излучение короны со-
средоточено в коротковолновом излучении, особенно в рент-
геновском, где излучение фотосферы и хромосферы мало.
Совместные тщательные наблюдения со спутников и назем-
ных обсерваторий позволили обнаружить и изучать коро-
нальные выбросы масс (КВМ) — явления, которые дают до-
полнительную информацию о возмущениях в хромосфере и
короне.

Над короной находится область возникающего в ней сол-
нечного ветра. Силы солнечного тяготения оказывается не-
достаточно для того, чтобы удержать потоки частиц, и они
испаряются в пространство, образуя ветер. Корональные лу-
чи, связанные с яркими корональными пятнами, являются
яркими примерами таких потоков частиц.

Многие из наблюдаемых явлений не укладываются в стан-
дартную модель, поэтому мы выйдем теперь за ее пределы и

Дыры являются важным источником солнечного ветра.

1 Стримеры проявляются как огромные активные лучи, вырастающие
над группами солнечных пятен на фотоснимках, полученных во время за-
тмения. Эти лучи можно проследить на протяжении > 5 Re. Они, как и дру-
гие детали корональной структуры, формируются внешним магнитным по-
лем. Область, откуда появляются эти лучи, плотная, а в ее центре может на-
ходиться эруптивный протуберанец. Магнитные силовые линии здесь замк-
нутые и открываются только во время извержения массы, которое не пре-
восходит - 1012 кг. При извержении массы может выделяться огромная
энергия — до 1025Дж.

2 Широко известными представителями петлеобразных структур явля-
ются арки — трубчатые структуры, образующиеся непосредственно над ак-
тивной областью в фотосфере. Внутри таких трубок, упираюхцихся своими
основаниями в солнечную поверхность, удерживается высокотемпературное
вещество. Температура этих структур - 3105 К, что намного меньше темпе-
ратуры горячей короны - 2-10® К. Благодаря различию в температуре и
плотности они и видны на фоне прозрачной короны.

3 Над пятнами, в так называемых корональных конденсациях, темпера-
тура может достигать -4-10® К.

4 Яркость короны примерно равна яркости Луны, но наблюдать ее при-

ходится на очень ярком фоне.
учтем факторы, возмущающие Солнце, нарушающие сфериче-
ски симметричную модель и привод ящие к появлению того, что
называется солнечной активностью.

S.S.	СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

Принято считать, что солнечная активность1 своим про-
исхождением обязана магнитному полю и возникает вследст-
вие того, что Солнце не вращается как жесткое тело. Так как
оно состоит из газа, то экваториальные области вращаются
быстрее других. Измерения Доплеровского смещения спек-
тральных линий показывают, что Солнце совершает полный
оборот на полюсах примерно за 37 дней. Чем ближе к эква-
тору, тем газ движется быстрее, и полный оборот на экваторе
совершается за ~ 27 дней.

Если Солнце действительно имеет быстро вращающееся
ядро, то магнитное поле и солнечные пятна1 2 3 будут двигаться
быстрее и значения периода оказываются меньшими. Солнеч-
ное магнитное поле мы можем рассматривать как невидимую
составляющую солнечной атмосферы. Оно не только имеет
сложную структуру, но и непрерывно меняется. Примерно ка-
ждые 11 лет оно «переворачивается», и это можно рассматри-
вать как одно из проявлений почти регулярного цикличного
характера изменений на Солнце.

Постоянное магнитное поле Земли является дипольным с
двумя магнитными полюсами. Оно постепенно меняет свое
направление и за несколько сотен тысяч лет сменит его на
обратное. Предполагается, что магнитное поле Земли генери-
руется механизмом типа динамо в жидком металлическом
ядре Земли. В понимании того, как действует солнечное ди-
намо, существуют значительные трудности. Измерения ука-
зывают на множество беспорядочно распределенных участ-
ков с напряженностью магнитного поля £0,1 Тл. Полярности
магнитных полей этих участков могут быть разными, и их

1 Солнечная активность— совокупность нестационарных явлений на

Солнце, таких, как солнечные пятна, факелы, флоккулы, хромосферные
вспышки, протуберанцы, возмущенные области в солнечной короне, спора-
дическое радиоизлучение Солнца, временное увеличение излучения в УФ и
рентгеновской областях спектра, возрастание корпускулярного излучения и
т. п.

3 Темные образования на поверхности Солнца (солнечные пятна), наи-
большие из которых можно видеть невооруженным глазом, — это области
экстремально сильных магнитных полей в районе солнечной фотосферы.
Они состоят из темного центрального ядра, которое называют тенью, и об-
рамляющей его более светлой области — полутени.
усреднение приводит к значению напряженности общего
магнитного поля ~ 10-4 Тл , что больше среднего поля Земли.
Самые высокие значения напряженности магнитного поля ~
1 Тл наблюдаются в солнечных пятнах и в областях бурной
активности. В полярных областях Солнца силовые линии от-
крыты и простираются в космическое пространство. Веще-
ство может улететь наружу (рис. 42). Свободный поток веще-
ства вызывает появление корональных лучей, связанных с
корональными пятнами.

МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА
КОРОНЫ

СОЛНЕЧНЫЙ

УДАРНАЯ
ВОЛНА

ВИДИМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ЧАСТИЦЫ

КОНВЕКТИВНАЯ ЗОНА

РАДИАЦИОННАЯ ЗОНА

—РАДИО
ИЗЛУЧЕНИ1

ФОТОСФЕРА

//КОРОНАЛЬНЫЕ
ВЫБРОСЫ

i МАССЫ / /

НЕЙТРИНО
(ЦЕНТР. ОБЛАСТЬ,
J ГДЕ ПРОИСХОДЯТ
(ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
ПРОТУБЕРАНЦЫ

АЮИЬпЫс

ПЕТЕЛЬНЫЕ КОРОНАЛЬ- КОРОНАЛЬ-
ОБРАЗОВАНИЯ НЫЕ ПЕТЛИ НЫЕДЫРЫ

(ГРУППЫ СОЛНЕЧНЫХ

(ПЯТЕН (АКТИВНЫЕ

(ОБЛАСТИ)

ВНУТРЕННЯЯ КОРОНА

Рис. 42. Схематический разрез Солнца и явления, там происходящие

Независимо от своего происхождения, дифференциальное
вращение во взаимодействии с магнитным полем Солнца явля-
ется тем двигателем, который привод ит в действие солнечную
активность1. В противоположность процессам в спокойном
Солнце явления солнечной активности протекают в локализо-
ванных областях атмосферы Солнца в пределах относительно

1 На Солнце вещество и магнитное поле тесно связаны друг с другом.
Такая связь объясняется высокой электропроводностью вещества, которое
можно рассматривать как плазму. Когда элемент солнечной плазмы движет-
ся перпендикулярно магнитному полю, индуцируются ток, вторичное маг-
нитное поле и сила которого препятствует изменению формы магнитных
силовых линий в системе координат, связанной с этим элементом. При вы-
сокой проводимости вещество может двигаться перпендикулярно магнитно-
му полю лишь с небольшой относительной скоростью: поле и плазма ведут
себя так, как будто они примерзли друг к другу.
коротких отрезков времени. Энергия излучается с поверхности
Солнца не везде одинаково и не стационарно.

Хотя солнечные пятна являются единственным признаком
активности, наблюдаемым даже в отдельных случаях невоору-
женным глазом, солнечная активность, конечно,— более ши-
рокое понятие. Активная область на Солнце представляет собой
чрезвычайно возмущенную зону, где происходят и такие явле-
ния, как: факелы, вспышки, протуберанцы и др. Активные об-
ласти, размеры которых составляют 5-104-105км, представля-
ют собой наиболее яркое свидетельство магнитной жизни
Солнца.

Сегодня еще нельзя определенно сказать, как возникают
солнечные пятна, но можно описать их развитие на поверх-
ности Солнца. Сначала в возмущенной области фотосферы в
течение примерно часа образуются темные поры1. Через динь
они или исчезают, или превращаются в настоящие пятна.
Активные области являются биполярными магнитными
структурами, поэтому солнечные пятна образуются, как пра-
вило, парами. Вначале эти пары располагаются параллельно
солнечному экватору. Ведущее, или головное, пятно обычно
более компактно и движется немного быстрее хвостового
пятна. Пятна, размер которых больше 40 000 км, можно уви-
деть невооруженным глазом, когда Солнце очень близко к
горизонту. Солнечные пятна живут от нескольких дней до
нескольких недель. В 1946-1947 гг. наблюдались самые
большие пятна со времени изобретения телескопа; площадь
одного из них достигла 1010 км1 2.

Пятна можно рассматривать как некие вихри или смер-
чи. Темная центральная часть большого солнечного пятна на-
зывается тенью и покрывает ~ 20% площади пятна средних
размеров. Волокнистая серая область пятна, окружающая эту
тень, называется полутенью. Но пятна только кажутся тем-
ными, поскольку они погружены в яркую фотосферу2. Если
бы пятно можно было рассматривать отдельно, то мы бы
увидели, что оно светится сильнее, чем электрическая дуга,
так как его температура - 4000 К. Расчеты показали, что
тень пятна в среднем лежит ниже уровня фотосферы на
700 км.

1 Малое пятно или пора имеют размеры, сравнимые с 1-2 гранулами.
Внутри пор светлые элементы не наблюдаются.

2 Магнитное поле пятна частично препятствует поступлению горячего
вещества из конвективной зоны, и поэтому эти места охлаждаются.
Внутри тени при хороших условиях наблюдений можно
обнаружить яркие точки диаметром - 100 км. Они живут
всего несколько минут. Наблюдаются не очень сильные
всплески яркости, возможно связанные с наличием магнито-
гидродинамических волн в нижних слоях тени. Пятно может
также действовать как резонансная полость; об этом свиде-
тельствуют обнаруженные в тени колебания.

Солнечные пятна являются областями экстремальных
значений физических параметров. Прежде всего известно,
что граница пятна с фотосферой является фотометрически
самой резкой границей на Солнце и может в этом отношении
соперничать с краем Солнца. Внутри пятна наблюдаются и
самые холодные области на Солнце, а над пятном, в так на-
зываемых корональных конденсациях, температура может
достигать - 4-106 К. Как отмечалось выше, в пятнах наблю-
даются и самые высокие значения магнитного поля. Таким
образом, в фотосфере на расстояниях - 1000 км сосущест-
вуют области, различающиеся по температуре на -1500 К, а
по напряженности магнитного поля на - 0,1 Тл.

Именно в солнечном пятне и в его ближайших окрестно-
стях разыгрываются основные процессы, определяющие сол-
нечную активность, генерацию и выход геоэффективных
электромагнитных и корпускулярных излучений. Крупный
активный центр оказывает влияние и на структуру межпла-
нетного магнитного поля (ММП).

С солнечными пятнами связаны факельные площадки —
это области в фотосферных слоях, которые кажутся яркими1
на фотоснимках в белом свете и снимках, полученных через
фильтр. Вблизи молодых и развитых активных областей фа-
келы — магнитные структуры в фотосферных слоях — плот-
ные и яркие. Структуру фотосферных факелов можно про-
следить на всех уровнях солнечной атмосферы, но с увеличе-
нием высоты факелы расплываются, становясь более диф-
фузными. Время жизни факелов короче, чем пятен, и со-
ставляет в среднем несколько часов. Бушующая хромосфе-
ра— это именно та область, в которой многие из эффектов
солнечной активности проявляются наиболее резко. Около
солнечных пятен хромосфера имеет характерную вихревую
структуру, и в ней наблюдаются флоккулы1 2, волокна и про-

1 Яркость этих областей выше яркости обычной фотосферы. Использо-
вание узкополосных фильтров позволяет получить фотоснимки, на которых
видны только факелы без фотосферы.

2 Флоккулы являются продолжением фотосферных факелов в хромо-
сфере. Физические условия в них быстро меняются с высотой. Флоккулы
туберанцы. Число их меняется с фазой цикла солнечной ак-
тивности. Пока не существует общепринятой модели солнеч-
ного пятна, которая удовлетворительно описывала бы всю
совокупность наблюдаемых явлений. Тем не менее термоди-
намика, а точнее построение термодинамической модели фо-
тосферных слоев пятна, оказываются полезными и здесь.

Помимо короны мы можем наблюдать и протуберанцы
Существует несколько типов этих красивейших образований,
но лишь некоторые из них непосредственно связаны с ак-
тивным Солнцем. Для наблюдателя протуберанцы представ-
ляются как структурные образования, напоминающие пламя,
когда они появляются на солнечном лимбе, например, во
время солнечных затмений. Однако в этом отношении они
похожи и на вспышки. В действительности протуберанцы —
это холодные и плотные массы вещества в горячей короне.
Фотосъемка позволяет проследить развитие протуберанца и
показывает, что во многих протуберанцах холодное вещество
постоянно течет из короны в фотосферу.

Протуберанцы обычно делят на активные и спокойные. Ак-
тивные протуберанцы: сердж, спрэй* 1, петельный и эруптивный
связаны с перемещающимися с высокой скоростью огромными
массами вещества. В короне образуются корональные облака, и
вещество из них стекает в активные области нижележащей фо-
тосферы. Обычно они существуют день или два и расположены
на высотах в несколько десятков тысяч километров. Протубе-
ранцы типа «коронального облака» по своим размерам, как
правило, значительно больше Земли.

Петельные протуберанцы состоят из вещества, образую-
щего в короне упомянутые выше арки, которые своими кон-
цами упираются в солнечные пятна или вблизи них. Эти про-
туберанцы связаны с самыми сильными проявлениями сол-
нечной активности. Иногда наблюдаются явления, подобные
взрыву плазмы, плотно стянутой магнитным полем. Это мо-
жет быть спрэй — мощный выброс горячего вещества со ско-
ростью ~ 400 км-с-1. Некоторая часть вещества при этом мо-
жет покинуть Солнце. Вертикальные выбросы, при которых
за ~ 15 минут вещество достигает огромных высот в короне,
а затем начинает падать обратно вдоль первоначальной тра-
ектории, известны под названием сердж.

являются наиболее долгоживущими образованиями в активной группе. Их
время жизни иногда достигает 200-300 дней. Размер флоккул зависит от
того, в какой линии ведутся наблюдения.

1 Типичными примерами активных протуберанцев являются: сердж —
сплошной выброс и спрэй — выброс в виде струи из пульверизатора.
В отличие от активных, спокойные протуберанцы не обя-
зательно имеют какое-либо отношение к избытку энергии в
активных областях. Их основание совпадает с границами су-
пергрануляционных ячеек. Спокойные протуберанцы разви-
ваются медленно и существуют несколько месяцев. Самым
большим из описанных протуберанцев и наиболее известным
был протуберанец 4 июня 1946 г. Гигантская арка, протя-
нувшаяся на три четверти миллиона километров, пульсиро-
вала в хромосфере и короне, а затем внезапно начала под-
ниматься вверх, пока не исчезла в короне. Протуберанцы на-
ходятся в нижней короне, они значительно плотнее и много
холоднее короны; их электронная температура порядка
10 000 К означает, что большая часть их энергии, несомнен-
но, излучается в оптическом спектре.

Упоминавшиеся в предыдущем параграфе спикулы, на-
поминая по форме конус и имея диаметр около 1000 км,
простираются в корону на расстояние, в ~ 10 раз превы-
шающее их диаметр. Их можно сравнивать с реактивными
струями относительно холодного и плотного газа.

Наиболее значительными из влияющих на Землю прояв-
лений солнечной активности являются солнечные вспышки.
Во время вспышек в хромосфере и короне над активной об-
ластью за 102 — 103 с выделяется до 1025 Дж энергии пре-
имущественно в нетепловых формах1. Солнечные вспышки
при всей необычности характеристик являются закономер-
ной формой активности Солнца. Источником энергии для
них служит магнитное поле. В эволюции активных областей
вспышки выполняют роль спускового клапана, обеспечи-
вающего быстрое выделение избыточной энергии.

Возможный сценарий развития вспышки можно пред-
ставить себе следующим образом. В активных областях из-за
дифференциального вращения Солнца линии магнитного по-
ля могут растягиваться, затем скручиваться, и натяжение их
возрастает до того, что пучки таких линий оказываются спо-
собными держаться на поверхности Солнца. Затем они ло-
паются, и на поверхности образуются магнитные биполяр-
ные области. Через некоторое время над поверхностью могут
возникнуть арочные конструкции из магнитных полей, вы-
тянутых от Солнца в виде петель (рис. 43). Магнитные поля

1 Эта энергия примерно равна энергии, получаемой Землей в течение
целого года1 Выброс вещества во время вспышки достигает 1013 кг, и вся эта
масса уносится от Солнца со скоростью -1000 км-с1, причем отдельные час-
тицы достигают скорости, близкой к скорости света.
связывают области с противоположной полярностью, а арки
заполняются горячей плазмой с температурой (1,5*3)-106 К.
Нагревание плазмы происходит за счет рассеяния магнитной
энергии, запасенной в скрученных линиях магнитного поля.
Такие петли являются составной частью короны и испускают
УФ и рентгеновское излучения.

Рис. 43. Диаграмма возможного сценария вспышки.
На рисунке показана структура, состоящая из одной петли
в поперечном сечении, однако чаще встречаются более
сложные структуры

Иногда энергия, запасенная в магнитных полях, по ка-
кому-то плохо еще установленному механизму вдруг высво-
бождается. Благодаря мгновенной перестройке сильных и
нестабильных магнитных полей над активными центрами в
нижней части солнечной атмосферы происходит взрывопо-
добное явление. Неожиданные и сильные оптические
вспышки обычно видны в таких эмиссионных линиях, как На
и редко в белом свете.

Электроны и протоны импульсно ускоряются, вероятно, в
корональных областях петель. Ускоренные до больших энер-
гий частицы устремляются затем вдоль магнитно-силовых
линий вниз и взаимодействуют с окружающей плазмой в
нижней части петли. В основании петли поток ускоренных
частиц резко тормозится (см. вырез на рис. 43), и большая
часть его энергии расходуется на то, чтобы нагреть более
плотную плазму хромосферы. Эта возбужденная плазма на-
чинает испускать излучение в широком диапазоне частот.
Однако радиационные потери не могут удалить избыток теп-
ловой энергии достаточно быстро. Вещество хромосферы на-
гревается при этом до температуры > 107 К и может про-
изойти его взрывное испарение. По мере того, как оставшее-
ся вещество наполняет структуру большой петли, происходит
медленное охлаждение за счет излучения и теплопроводно-
сти. Энергия, выделяемая на коротких длинах волн, оказы-
вается больше энергии, выделяемой в оптическом диапазоне.
Всплеск дальнего УФ и рентгеновского излучений, а иногда и
у-излучения вызывает нагревание и ионизацию газа в верх-
ней атмосфере Земли.

Если магнитные линии оказываются разорванными, то
частицам легко уйти в межпланетную среду вдоль линий
ММП. Вспышки генерируют такие явления, как межпланет-
ные ударные волны и геомагнитные бури. Ударные волны
могут дополнительно ускорять частицы, имевшие энергии
S 10 МэВ. Со вспышками связаны космические лучи солнеч-
ного происхождения — электроны, протоны и ядра тяжелых
элементов, ускоренные до энергий ~ 1010 эВ.

Солнечные вспышки наиболее часто (до 104 в год в мак-
симуме солнечной активности) проявляются в оптическом
диапазоне. Иногда на Солнце происходят корональные вы-
бросы массы (см. рис. 42), которые сопровождаются особен-
но большими потоками высокоэнергетических протонов. Они
могут совпадать со вспышками, а могут и не совпадать. Ко-
личество их в год почти в 1000 раз меньше числа вспышек.

Выше короны мы попадаем в область солнечного ветра1.
Гравитационное поле не может удерживать горячую корону,

1 Кроме ветра, состоящего из атомных частиц, межпланетное простран-
ство содержит также твердые частицы пыли и газообразное вещество, кото-
рые и образуют солнечный ветер. Частицам пыли обязано своим происхож-
дением прекрасное явление, которое связано с Солнцем и лучше всего на-
самый верхний слой которой истекает в космическое прост-
ранство, образуя солнечный ветер. Он движется в основном за
счет энергии, выкачиваемой из конвективных областей Солн-
ца. Начальная скорость ветра может достигать 800 км-с-1. По-
степенно его скорость падает и позади нашей планеты равна
400 км-ст1. Только из-за солнечного ветра Солнце теряет массу
со скоростью в среднем ~ (2-3)-109 кг-сг1. Интенсивность потока
солнечного ветра испытывает существенные вариации, особен-
но в те периоды, когда наблюдаются потоки частиц со скоро-
стями, близкими к скорости света.

Установлено, что 15 % массы солнечного ветра составля-
ет гелий, почти вся остальная масса — водород. Во внешней
части Солнца и в космическом пространстве содержание ге-
лия примерно в два раза выше, чем в солнечном ветре. По-
видимому, Солнце способно удерживать свой гелий лучше,
чем водород. Кроме того, в солнечном ветре обнаружены ки-
слород, углерод, неон, кремний и железо.

ММП поддерживается за счет потоков плазмы солнечного
ветра. В пределах Ra- ~ 3R& от солнечной поверхности магнит-
ное поле достаточно сильно, и его энергия преобладает над
энергией ветра. Таким образом, поток солнечного ветра опре-
деляется локальным магнитным полем. За пределами Ra- веду-
щую роль играет ветер, и он уносит поле к границам солнечной
системы. До расстояния, равного Rm корона вращается вместе
с Солнцем как целое, а затем начинает отставать. Магнитное
поле оказывается недостаточно сильным для того, чтобы заста-
вить внешнюю корону жестко вращаться вместе с Солнцем. В
результате вращения линии коронального магнитного поля
приобретают спиральную форму, напоминающую водяные
струи. Солнечный ветер, уносящий с собой угловой момент,
действует подобно тормозу. Этот тормоз может за 5 млрд лет
почти полностью замедлить сегодняшнюю скорость вращения
Солнца, которая была при его рождении намного больше.

5.6.	СОЛНЕЧНЫЕ ЦИКЛЫ
И СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ

Как мы видели в предыдущем параграфе, на Солнце вре-
менами происходят «солнечные бури», во время которых сильно
возрастает излучение отдельных участков поверхности. Эти бу-
ри могут длиться по несколько месяцев и заявляют о себе тем-

блюдается в безлунные ночи в прозрачном небе тропиков — это зодиакаль-
ный свет.
ними солнечными пятнами. Люди уже достаточно давно при-
шли к заключению, что солнечные пятна являются индикато-
рами «погоды» в атмосфере Солнца. Замечательным обстоятель-
ством является то, что все выше упомянутые проявления ак-
тивности Солнца и энерговыделения происходят при несильном
нарушении устойчивости даже внешних его слоев. Причиной
таких нарушений в большинстве случаев является сильная из-
менчивость магнитного поля.

Наблюдения солнечных пятен привели к тому, что в
1843 г. Г. Швабе выступил с утверждением о существовании
достаточно регулярных изменений в числе солнечных пятен.
Он показал, что число пятен на диске Солнца меняется цик-

лически, достигая максимума примерно через каждые один-
надцать лет. Затем в середине XIX в. Р. Вольф разработал ме-
тодику подсчета числа солнечных пятен. Так появились чис-
ла Вольфа. Эта методика придала смысл субъективному суж-
дению о степени «запятненности» Солнца. Определение числа
солнечных пятен, данное Вольфом, используется до сих пор.
Это число, определяющее меру солнечной запятненности,

принимает во внимание как

Рис. 44. Изменения числа
солнечных пятен. Каждая группа
принимается за десять единиц, а
каждое пятно — за единицу. Об-
щий отсчет за день — число сол-
нечных пятен Вольфа

число групп солнечных пятен,
так и число самих пятен, на-
блюдавшихся в данный день.

Кривая среднемесячного
числа солнечных пятен дей-
ствительно свидетельствует
об их периодическом изме-
нении (рис. 44). Усреднение
за 200 лет дает период —11,2
г. За последние 300 лет са-
мый короткий период был
равен 7 годам, самый длин-
ный — 17. Хотя система,
разработанная Вольфом, хо-
рошо выдержала испытание
временем, сегодня в рамках
мировой службы Солнца ак-
тивность измеряют также с
помощью других индексов.

Широкое употребление
получил индекс, известный
как Fio,7 — поток солнечного
радиоизлучения на волне 10,7
см, характеризующий яркость
Солнца. Он является показа-
телем активности на уровне верхней фотосферы и коррелирует
с числами Вольфа1 с коэффициентом корреляции 0,98. Анализ
формы циклов показывает, что чем больше амплитуда цикла,
тем он короче. Следовательно, система характеризуется высо-
кой степенью нелинейности.

После появления первых пятен нового цикла1 2 число их воз-
растает, а сами они как бы мигрируют в направлении солнеч-
ного экватора3. В действительности, пятна не движутся в на-
правлении экватора, а смещается лишь место наиболее вероят-
ного появления пятен. В конце цикла вблизи экватора могут
существовать пятна старого цикла, а на высоких широтах уже
возникают пятна нового цикла. Конец одного цикла солнечных
пятен и начало следующего сопровождаются сменой знака сол-
нечных магнитных полей, при которой слабое общее поле мед-
ленно меняет направление на противоположное. Этот процесс
длится около года. Магнитный цикл Солнца составляет в сред-
нем двадцать два года.

Анализ изменения годичных чисел солнечных пятен за по-
следние тысячелетия указывает на то, что в подъеме и спаде
максимумов, по-ввдимому, существует некоторая система4. Во-

1 Несомненным достоинством чисел Вольфа является то, что ряд этого

индекса самый длинный по времени. Отметим, что сейчас обсерватории
ведут регулярные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры, ак-
тивности и оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади
видимой солнечной полусферы.

3 Многие ученые, занимающиеся Солнцем, полагают, что новые пятйа
впервые возникают на широтах ~ 40°, так как там происходит первоначальный
сдвиг магнитной структуры. Магнитное поле «выносится» из нижней конвек-
тивной зоны и дифференциальное вращение продолжает «наматывать» силовые
линии все ближе к экватору, в результате чего связанные с ним пятна также
постепенно приближаются к экватору. На конечной стадии первой половины
полного цикла (~ 22 года) силовые линии на экваторе настолько сближаются; что
происходит «короткое замыкание», уничтожающее большую часть магнитного
поля. Вторая половина цикла начинается с движения силовых линий в противо-
положном направлении— поле одного знака навстречу полю другого знака.
Поле Солнца меняет свое направление в конце цикла на противоположное; Ко-
гда возникают первые пятна нового цикла, их полярности также противопо-
ложны полярностям пятен предшествовавшего ц икла.

3 Это впервые обнаружил Е.У. Маундер, который одновременно с
Г. Шперером показал, что в течение ~ 70 лет вплоть до 1716 г. пятен на сол-
нечном диске, по-видимому, почти не было (см. рис. 44). В Европе этот пе-
риод иногда называют малой ледниковой эрой.	'

4 В период максимума солнечной активности возрастающее магнитное
поле Солнца способствует экранированию Земли от космических лучей и тем
самым уменьшает концентрацию 14С в атмосфере Земли. Измеряя количест-
во 14С в годичных кольцах деревьев, можно определять, как его естественное
содержание изменялось в прошлом. Следовательно, возможно получать и
информацию о периодах спада солнечной активности.
первых, по-ввдимому, существует ~ 80-90-летний вековой
цикл, или цикл Гляйсбера, который модулирует одиннадцати-
летний. Во-вторых, помимо Маудеровского минимума, пред-
ставленного на рис. 44, существует спад с ~ 1450 до ~ 1540 г.,
так называемый минимум Шперера и еще, по крайней мере,
два периода по ~ 200 лет спада солнечной активности, начиная
с 600 г. Использование радионуклидов 14С и 10Ве в качестве
хронометров указывает на возможное существование и еще
более длинного солнечного цикла ~ 2300 лет помимо ~ 11, ~ 90 и
~ 200-летних циклов. По-ввдимому, действуют разные меха-
низмы, способные активизировать или подавлять процесс пят-
нообразования на Солнце, которое не является хорошо прогно-
зируемой переменной звездой. Используя информацию о сол-
нечных пятнах и активных областях, ученые строят модель ак-
тивности, однако это именно модель, а не законченная теория.

С позиций экологии светимость Солнца интересует нас в
первую очередь в плане количества энергии, приходящейся
на единицу площади Земли, а солнечная активность и сол-
нечные пятна — в том отношении, в котором они влияют на
эту величину. Параметром, служащим более, чем столетие,
для измерения этой энергии, является уже упоминавшаяся
солнечная постоянная/©1.

Попытки проверить неизменность солнечной постоянной
с помощью обычной аппаратуры сталкивались с проблемой
учета изменения поглощения радиации в вышерасположен-
ных слоях атмосферы. Появление спутников позволило выне-
сти аппаратуру в космос и избежать этой проблемы. Наблю-
дения со спутников, которые ведутся с 1979 г., показали на-
личие изменений во всех временных масштабах: от десятков
минут до десятилетий, включая и рассмотренные солнечные
циклы (рис. 45).

Впервые после того, как Г. Швабе ввел представления о
солнечных циклах, ученым удалось количественно связать эти
циклы с измерениями светимости. Оказалось, что образование
темных солнечных пятен компенсируется возрастанием площа-
ди более ярких областей, где находятся факелы, о которых мы
говорили в предыдущем параграфе. На рис. 45, а и 45, б пред-
ставлены результаты прямых измерений со спутников солнеч-
ной постоянной в различных временных масштабах. Кратко-
временные изменения солнечной постоянной в максимуме сол-

1 Сам по себе термин «солнечная постоянная» являлся выражением уверен-
ности ученных в том, что Солнце — постоянная звезда и полная светимость его
настолько постоянна, что не может вызывать изменений климата.
нечной активности1 не превосходят 0,22 % и не могут сказать-
ся на глобальном климате. Усредненные же в пределах цикла
вариации не достигают и половины этой величины. Данные,
представленные на рис. 45, в, — только косвенные и получены

До н.э.

Годы

Рис. 45. Изменения солнечной постоянной
для различных временных интервалов: а — пря-
мые ежедневные измерения на протяжении семи
месяцев во время повышенной солнечной актив-
ности; б — результаты прямых наблюдений в те-
чение 15-летнего периода, включающие 11-
летний цикл Швабе с амплитудой около 0,1%; в:—
реконструированные изменения солнечной ра-
диации после 1600 г.; г — относительные измене-
ний солнечной активности. Пунктирными ли-
ниями указаны более детально рассмотренные
временные интервалы

1 Эти изменения связаны с 27-дневным периодом вращения Солнца и
обусловлены в значительной степени тем, что количество темных и ярких
областей на поверхности Солнца распределено не однородно.
путем реконструирования изменений солнечной радиации по-
сле 1600 г., основанного на исторических записях числа сол-
нечных пятен и постулированной яркости Солнца в течение
70 лет Маундеровского минимума. Оцененные таким образом
изменения потока радиации по амплитуде больше, чем наблю-
давшиеся до сих пор в действительности. Еще более опосредо-
ванным путем получена зависимость, приведенная на
рис. 45, г. Она основана на измерении содержания 14С в срезах
деревьев и изотопа 10Ве в ледовых кернах из Антарктики.

После Маундеровского минимума солнечной активности
происходит постоянное возрастание числа солнечных пятен, и
это привело к появлению понятия современного максимума,
включающего несколько последних солнечных циклов (см. рис.
45, в). Последние данные указывают также на то, что совре-
менный уровень солнечной активности может быть несколько
выше среднего значения для других звезд такой же массы, воз-
раста и химического состава. Из этого также следует, что уро-
вень солнечной активности в течение длительного времени мо-
жет и значительно уменьшиться по сравнению с интенсивно-
стью минимума цикла в 1985 г., по крайней мере на 0,2%, как
это было во время Маунд еровского минимума.

Помимо изменения в величине солнечной постоянной уче-
ные обнаружили и изменения в форме спектра излучения
Солнца Повышенная магнитная активность приводит к увели-
чению доли УФ и рентгеновского излучения и радиоизлучения,
в то время как интенсивность в видимой части спектра почти не
меняется. В максимумы солнечной активности, имевшие место в
1979-1981 гг. и в 1989-1991 гг., интенсивность УФ излучения
возрастала на несколько процентов, в то время как интенсив-
ность видимой части спектра не более чем на 0,1%.

Когда мы говорим о солнечной активности, то мы должны
учесть все каналы воздействия Солнца на Землю и прилегаю-
щее к ней космическое пространство. Так, мы уже отмечали,
что во время максимумов солнечной активности резко возрас-
тает магнитное поле Солнца, в сфере которого находится и
Земля, что, в частности, модулирует интенсивность космиче-
ского излучения на поверхности Земли. Так как корональные
структуры отражают топологию магнитного поля, то корона,
будучи относительно компактной и вытянутой вдоль экватора в
минимуме, в солнечном максимуме значительно увеличивается
в размере и имеет сложную структуру. В периоды солнечной
активности над полюсами особенно выделяются полярные ще-
точки — вертикальные колонны плазмы, достигающие 8000 км
в поперечнике и простирающиеся до высот в полмиллиона ки-
лометров. Над активными областями видны так называемые
шлемы, верхние концы которых сходятся под острым углом в
точке, находящейся на расстоянии одного или двух солнечных
радиусов над поверхностью Солнца. Над группами солнечных
пятен вырастают огромные стримеры. И, наконец, очень хоро-
шо выделяются петли, связывающие области противоположной
магнитной полярности. В минимуме от истинной короны может
остаться лишь кольцо света, образующееся в результате рассея-
ния солнечного света пылью межпланетного пространства. От
солнечного минимума к максимуму плотность частиц в короне
возрастает вдвое, а температура — примерно на 20%.

Корональные дыры являются основным источником сол-
нечного ветра в межпланетное пространство. Между прохо-
ждением по диску Солнца корональных дыр и приходом к
Земле потоков высокоскоростных частиц в периоды усиле-
ния солнечного ветра существует точное соответствие. Отсю-
да следует, что дыры являются основным источником быст-
рого солнечного ветра. Они также косвенно влияют на изме-
нение собственного магнитного поля Земли, а следовательно,
имеют для нас на Земле практическое значение.

Полярные области Солнца являются важным источником
высокоскоростных потоков, наблюдающихся в солнечном
ветре. Наблюдения со спутников показали, что высокоскоро-
стной ветер течет из полярных шапок. Магнитное поле вбли-
зи Солнца имеет такую форму, что некоторые из высокоско-
ростных потоков отклоняются к основной плоскости солнеч-
ной системы, которая находится именно там, где проводятся
измерения с космических аппаратов.

В течение солнечного цикла число вспышек соответст-
венно растет или уменьшается. Вспышка начинается, П0-
видимому, тогда, когда в магнитном поле активной области
накапливается избыточная энергия. Возможно, что темпера-
тура вспышки достигает ~ 2-107 К, т. е. выше, чем в ядре
солнечного реактора. При таких температурах атомы хромо-
сферы оказываются в высоких энергетических состояниях и
дают спектр, богатый эмиссионными линиями.

Взрывная волна захватывает и уносит с собой часть маг-
нитного поля, и движущиеся силовые линии этого поля могут
действовать подобно гигантским ускорителям частиц. Про-
тоны и а-частицы могут ускоряться до очень высоких энер-
гий. В результате столкновений протонов и нейтронов обра-
зуется дейтерий. Кроме того, там образуются позитроны, и
мы регистрируем у-излучение, обусловленное аннигиляцией
электронно-позитронных пар.
Глава 6

ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ, БИОСФЕРЫ
И НЕКОТОРЫЕ ГЛОБАЛЬНЫЕ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

6.1.	ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ
И ДРУГИХ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Обозначив в первой главе глобальные экологические про-
блемы, мы в последующих двух главах показали, что термо-
динамический подход, как достаточно общий феноменологи-
ческий подход, может служить эффективным методом при
анализе многих экологических проблем. Термодинамика бес-
спорно была необходима и при анализе возникновения и эво-
люции окружающего нас мира. При этом от рассмотрения
уникального объекта — Вселенной мы перешли к рассмотре-
нию сначала галактик, а потом и звезд. И вот перед нами
снова уникальный объект — Земля с ее биосферой.

Несмотря на молодость человечества и особенно современ-
ной науки, мы имеем благоприятные условия для изучения га-
лактик и звезд, существующих миллиарды лет. Во-первых, та-
ких объектов великое множество. Во-вторых, как галактики,
-гак и звезды можно разбить на ограниченное число типов. И,
в-третьих, каждое из множеств, принадлежащих данному типу,
мы можем одновременно наблюдать на самых разных этапах
эволюции его компонентов, от образования их до гибели.

С диаметрально противоположной ситуацией мы сталкива-
емся как только обращаемся к Земле. Земля — одна, и видим
мы ее только мгновение по сравнению с ее возрастом. Более
того, экспериментальных средств проникнуть внутрь и посмот-
реть или хотя бы точно установить ее химический состав у нас
просто нет. На Земле смогла развиться биосфера, благодаря ко-
торой Земля является нам не только самоорганизующейся, но и
более сложной системой, чем галактики или звезды1.

1 Действительно, когда мы говорим о Вселенной через несколько минут
после ее рождения, о галактиках или о звездах, то в конечном итоге мы го-
ворим просто о поведении огромных масс водорода и применяем для описа-
ния этого поведения те или иные термодинамические методы.
Проблемам образования Земли, ее строению и эволюции
посвящено довольно много литературы, в том числе и учеб-
ной. Начиная с конца XVIII в. стали появляться достаточно
серьезные гипотезы, призванные объяснить процесс образо-
вания Земли и других планет Солнечной системы. Отметим
небулярную гипотезу Канта-Лапласа, согласно которой веще-
ство, оставшееся после конденсации в центре, образовало
кольцо или систему колец вокруг Солнца и, в конце концов,
аккумулировалось в планеты. Время шло, и небулярная гипо-
теза Канта-Лапласа модифицировалась. Появлялись и другие
гипотезы. Перед ними была задача— одновременно объяс-
нить все данные наблюдений, из которых отметим следую-
щие:

1.	Несмотря на то, что более 99,8% массы Солнечной сис-
темы заключено в Солнце, на него приходится менее 3% мо-
мента количества движения Солнечной системы.

2.	Все планеты обращаются вокруг Солнца в том же на-
правлении, в каком вращается Солнце, и почти в одной и той
же плоскости.

3.	Орбиты самой внутренней и самой внешней планеты
заметно наклонены к плоскости, в которой Земля обращается
вокруг Солнца (эклиптике), и характеризуются значительным
эксцентриситетом.

4.	Шесть планет Солнечной системы вращаются в одина-
ковом направлении вокруг осей, приблизительно перпенди-
кулярных плоскости эклиптики. Угол наклона— 8 осей вра-
щения трех других планет к плоскости эклиптики превосхо-
дит 90°: 8 = 177° для Венеры, 8 = 97,9° для Урана и
8 = 122,5° для Плутона и, следовательно, они вращаются в
обратном направлении (по часовой стрелке)1.

5.	По массе, химическому составу и плотности планеты
можно разделить на планеты земной группы и планеты-
гиганты. Плутон не относится ни к одной из этих групп.

1 Если бы мы смогли подняться очень высоко над нашим северным по-
люсом, то оказались бы в точке, которая называется северным полюсом ми-
ра. Взглянув оттуда вниз, мы увидели бы движущиеся в направлении против
часовой стрелки планеты и вращающееся в этом же направлении Солнце.
Общепринято северным полюсом планеты называть тот, что находится вы-
ше плоскости эклиптики, независимо от направления, в котором сама пла-
нета вращается. Если мы в случае Земли увеличим угол 9 на 74°, так что он
станет ~ 97,5°, то теперешний наш южный полюс окажется сверху, и, со-
гласно вышесказанному, придется говорить о вращении Земли в сторону,
противоположную направлению вращения Солнца. Примерно это имеет ме-
сто в случае Урана с его 9 ~ 97,9°.
6.	Периоды вращения планет-гигантов меньше земных
суток и разные на экваторе и в районе полюсов. Так же бы-
стро вращаются астероиды1, т. е. изменение массы более чем
в 1011 раз мало влияет на период вращения.

7.	Из планет земной группы только Марс имеет два спут-
ника. Число известных достаточно крупных спутников у пла-
нет-гигантов достигает двадцати двух (табл. П6). Большинст-
во спутников обращается в том же направлении, что и их
планеты, в плоскостях, близких к плоскостям экваторов их
планет. Однако некоторые из внешних спутников Юпитера и
один спутник Нептуна вращаются в обратном направлении.

8.	Планеты земной группы состоят в основном из силика-
тов и железа, а планеты-гиганты из легких элементов, в пер-
вую очередь из водорода. По-видимому, при их образовании
больший относительный вклад внесли льды из воды, метана и
аммиака, содержащие углерод, азот и кислород.

9.	Возраст всех тел Солнечной системы, у которых он не-
посредственно определялся, т. е. возраст Земли, Луны и ме-
теоритов, - 4,55 млрд лет, что означает их одновременное
образование.

10.	Обилие элементов в хондритах1 2 * *, за исключением по-
терянных летучих элементов, например благородных газов,
фактически такое же, как на Солнце. У исследованных тел
Солнечной системы изотопный состав почти одинаков.

В 1980-е гг. были обнаружены звезды, около которых, ве-
роятно, формируются планеты. Обработанные с помощью Фу-
рье-анализа изображения показали то, что люди давно ожида-
ли. Две молодые, ничем не примечательные звезды— HL Таи,
возрастом ~ 105 лет, расположенная в созвездии Тельца на рас-
стоянии -150 пк, и R Моп в Единороге, возрастом ~ 106 лет,
удаленная от нас на расстояние 600 пк, — окружены пылью,

1 Астероиды (малые планеты или планетоиды) — твердые тела диамет-
ром до 1000 км (см. табл. П6), вращающиеся вокруг Солнца в основном в
поясе астероидов с периодами от 3 до б лет. Известны орбиты более 10 000
астероидов. а всего может быть не менее миллиона тел размером до 1 км.
Суммарная их масса не превосходит 10 % массы Луны.

2 Из большого разнообразия классов и типов метеоритов в настоящее

время за прототип вещества, образовавшего Землю, обычно принимают уг-
листые хондриты С1. Их состав, за исключением углерода и сильно летучих
элементов, таких, как Н, Не, N, О и инертных газов, считается близким к

первичной распространенности элементов в исходной солнечной туманности

в зоне нашей планеты. Термин «хондриты» возник из-за того, что в метеори-
тах этого типа встречаются хондры — каменные шарики размером от долей
миллиметра до нескольких миллиметров — капли быстро застывшего сили-

катного расплава.
которая образует четкие диски1. Позже были обнаружены пы-
левые диски еще у нескольких звезд. Так, например, с помо-
щью внезатменного коронографа — устройства, которое позво-
ляет имитировать затмение, перекрывая яркий центральный
источник круглым экраном, ученые исследовали звезду b Жи-
вописца (возраст 100 млн лет, светимость 2 La). Они увидели,
как, вероятно, могла выглядеть наша Солнечная система при-
мерно 4,5 млрд лет назад. Растущее число подобных наблюде-
ний говорит о том, что диски формируются вовсе не в исклю-
чительных обстоятельствах.

Протосолнечная туманность была достаточно однородна
по химическому составу. Что касается изотопного состава,
то, по-видимому, имелась и небольшая примесь нового веще-
ства, инициировавшего процесс звездообразования в том об-
лаке, из части которого возникло Солнце. При формировании
небулярного диска температура и плотность росли. Вначале
тепловая энергия излучалась, но когда диск стал оптически
толстым, он начал поглощать энергию. Выделение энергии и
давление быстрее всего росли в центре, спадая наружу. При
характерных значениях давления— 0,001 атм и температу-
ры ~ 2000-3000 К подавляющая часть вещества стала газо-
образной.

Затем солнечная небула прекратила сжиматься и стала
охлаждаться, однако центр, где формировалось Солнце, был
горячим. Более дальняя часть небулы охлаждалась быстрее,
чем внутренняя. Только тугоплавкие соединения, подобные
оксидам и металлам, могли конденсироваться близко к Про-
тосолнцу. Летучие вещества, подобные воде, метану или ам-
миаку, конденсировались в дальней от Протосолнца части
небулы. Предположив, что каждой области протопланетарно-
го диска, находящейся на определенном расстоянии от Солн-
ца, соответствовала определенная температура, можно рас-
считать химический и минералогический состав планеты,
образовавшейся в данной области. Исследования метеоритов
и термодинамические расчеты показали, что наиболее туго-
плавкие минералы первыми образовались в горячей осты-
вающей туманности и оказались затем заключенными в обо-

1 Радиус диска у HL Таи примерно в два раза больше радиуса нашей
планетной системы, а диск R Моп несколько меньше. Полная масса вещества
вокруг HL Таи сравнима с массой нашей планетной системы, а у R Моп она
сравнима с массой Земли. В то же время следует подчеркнуть, что достовер-
ного аналога околосолнечного допланетного облака пока не обнаружено.
дочки из минералов, которые должны были возникнуть позд-
нее, при более низких температурах1.

Следующий шаг в рассматриваемом нами процессе —
образование диска и аккумуляция планет— представляет
трудность для моделирования. Его легко вообразить себе в
общем, рассчитать же, как он происходит, значительно труд-
нее, так как не осталось каких-либо убедительных свиде-
тельств того времени. Разнообразные теоретические модели
такого процесса можно разделить на два класса. В моделях
одного — рост планет происходит вследствие аккумуляции
пыли в тела все больших размеров, в планетезимали1 2. Со-
гласно моделям другого класса, в результате гравитационных
неустойчивостей диск разбивается на гигантские протопла-
неты, которые затем, теряя вещество, превращаются в пла-
неты3. В настоящее время считается, что планетезимальные
модели способны более просто и непосредственно объяснить
данные исследований, касающиеся, по крайней мере, планет
земной группы.

Планетезимали могут образовываться в результате одно-
родной (гомогенной) или неоднородной (гетерогенной) аккре-
ции. В результате неоднородной аккреции Земля изначально
приобретала бы слоистое строение, которое могло в дальней-
шем модифицироваться определенным образом. Однородная
же аккреция постулирует формирование достаточно одно-
родной Протоземли, а ее расслоение должно происходить в
ходе ее дальнейшей эволюции. Несмотря на скудность наших *'

1 Большинство метеоритов имеет астероидальное или кометное проис-
хождение, хотя некоторая их часть может представлять остатки вещества
протопланетного диска, не захваченного большим телом. По составу они
разделяются на каменные, железокаменные и железные в зависимости от
содержания силикатных минералов и железо-никелевых сплавов. Подав-
ляющее большинство обнаруженных метеоритов каменные, среди которых
преобладают упомянутые выше хондриты. Метеориты иногда делят на диф- ?
ференцированные и недифференцированные. Недифференцированные ме- .
теориты отражают средний состав протопланетного диска в зоне планет
земной группы.

2 Планетезимали— гипотетические тела, образовавшиеся на ранней '
стадии эволюции солнечной туманности в результате конденсации газооб-"
разного вещества и пыли. В области относительно высоких температур ко-,
печными продуктами такой конденсации оказывались в основном оксиды и
силикаты, а в области низких температур — льды. В процессе многократных
столкновений размеры планетезималей увеличивались до тех пор, пока не
образовались протопланеты. Предполагается, что часть кометного вещества
и метеоритов это оставшиеся планетезимали.

3 Движущей силой протопланетарных теорий являются астрофизиче-
ские расчеты на основе законов небесной механики. В теории планетезима-
лей определяющим являются данные химии и петрологии.
знаний о химизме происходящих здесь процессов, предпоч-
тение в настоящее время отдается гомогенной аккреции, хо-
тя возможен и некоторый вклад от гетерогенной.

По мере того, как материал небулы собирался ближе к цен-
тральной плоскости диска, частички вещества начинали все
интенсивнее сталкиваться друг с другом. Они слипались и бы-
стро росли от микроскопических объектов к макроскопиче-
ским, вероятно, размером в метр. Этот процесс не только про-
дол^сался, но даже и ускорялся по мере того, как такие объекты
достигали более плотных слоев в районе центральной плоскости
небулы. Планетезимали метрового размера росли до километро-
вого, а те, в свою очередь, до 100-километровых тел. По мере
того, как планетезимали приобретали большую массу, вероят-
ность аккреции дополнительно возрастала из-за того, что они
становились способными гравитационно объединять, притяги-
вать к себе меньшие планетезимали. Большие планетезимали
как бы убегали друг от друга, увеличиваясь в размерах во все-
возрастающем темпе.

Притягивая к себе значительное количество окружающе-
го материала, большие планетезимали могли формировать
вокруг себя солнцеподобные системы, из которых образовы-
вались потом луны. Образование планет при таких условиях
хорошо согласуется с тем обстоятельством, что их орбиты
оказались почти компланарными и близкими к круговым.
Итак, мы будем считать, что аккреция происходила из веще-
ства протопланетного газопылевого облака. Общие законо-
мерности процесса аккреции получаются только путем его
математического моделирования. На этом пути была уста-
новлена большая роль крупных тел в образовании планет и в
их энергетике.

По мере роста Протоземли начала увеличиваться ее тем-
пература. Это происходило как вследствие увеличения ин-
тенсивности ее бомбардировки планетезималями, так и бла-
годаря гравитационным взаимодействиям. На рис. 46 пред-
ставлен момент, предшествующий соударению планетезима-
ли и Протоземли.

Планеты земной группы мы можем считать подобными
мирами, несмотря на то, что они очень сильно отличаются
друг от друга. При переходе к планетам-гигантам мы вступа-
ем в совершенно другую область.

Юпитер вместе со своими 16 лунами и диффузным коль-
цом толщиной менее 1 км представляет собой как бы миниа-
тюрную солнечную систему. Согласно наблюдениям с Земли
и космического аппарата Вояджер на планете нельзя выде-
Рис. 46. Столкновение
планетезимали с Протозем-
лей и схема энергетического
баланса, имевшего место при
образовании Земли

лить поверхность. Она состоит в основном из водорода и re- 1
лия почти в солнечной пропорции. При давлении в несколько
десятков миллионов атмосфер водород, окружающий ядро из 1
силикатов с массой ~10 М®, обладает свойствами металла с 1
высокой проводимостью, но остается в жидком состоянии. J
Значит, такого давления оказывается достаточно, чтобы 1
ожижить водород, но недостаточно, чтобы мог начаться тер-
моядерный синтез. В совокупности с быстрым вращением
это приводит к большому магнитному полю на поверхности1
планеты и к огромной магнитосфере. В атмосфере планеты 1
разыгрываются очень интенсивные магнитные и электриче- 1
ские бури и сияния.

Атмосфера Юпитера представляет собой очень малую ]
часть планеты. Для исследования того, что находится глубже, 1
приходится пользоваться данными, получаемыми снаружи:
температурой и давлением атмосферы, массой планеты, ее 1
радиусом, формой, скоростью вращения, тепловым балан- I
сом, возмущением орбит спутников (лун) и траекторий кос- .1
мических аппаратов. Поскольку Юпитер излучает в два раза I
больше, чем он получает сейчас от Солнца, температура в его ц
недрах должна быть ~ 25 000 К. Источник внутреннего тепла I
не полностью ясен. Предполагается, что прежде всего это вы- I
свобождение теплоты, запасенной во время образования *
планеты. Кроме того, возможны и другие процессы, напри- 

1 Примем за поверхность планет гигантов такую воображаемую поверх-
ность, на которой атмосферное давление равно 1 атм.
мер, выделение тепловой энергии в результате осаждения
капелек гелия во внутренней части планеты. Последний ме-
ханизм эффективно действует на Сатурне.

Вторая по величине планета — Сатурн, известная своими
кольцами, несмотря на огромные давления внутри, обладает
удивительно малой плотностью — не более 0,7 т-м3. Это как
бы небольшое силикатное ядро и огромная жидкая мантия,
более 97% которой составляют водород и гелий. Вращение
такой большой жидкой капли приводит к тому, что Сатурн —
наиболее сжатый у полюсов из всех планет. Планета излучает
в три раза больше, чем поглощает от Солнца.

Начиная с Урана плотность вещества несколько возрас-
тает. Нептун из-за его большой удаленности от Земли уже не
может быть виден без телескопа. До него доходит примерно
половина той солнечной энергии, которая поглощается Ура-
ном, но благодаря своему внутреннему теплу он оказывается
более теплым, чем его сосед. Нептун излучает в 2,7 раза
больше, чем поглощает.

Основные параметры планет приведены в табл. 8, П6 и
П7. Определить однозначно химический состав планет не-
возможно ни сейчас, ни в ближайшем будущем. Вспомним,
что даже содержание гелия на Солнце известно с точностью
только ~10%. Тем не менее общие представления о химиче-
ском составе планет, конечно, имеются (см. табл. 9, П8, П12
и П14).

Сейчас предполагается, что все планеты-гиганты первона-
чально должны были образоваться с массами ~ (3^-10) Л& из раз-
личных льдов и силикатов, но скорость образования уменьша-
лась с увеличением расстояния до Солнца. При достижении
протопланетами такой массы, согласно теоретическим оцен-
кам, они начинают эффективно аккумулировать небулярный
газ. Кроме того вступает в действие новый эффект. Они могут
теперь эффективно отбрасывать другие тела далеко за пределы
своих орбит1. Юпитер и Сатурн, действительно, аккумулирова-
ли гигантские оболочки из водорода и гелия с массами порядка
300 и 70 Мв соответственно. Почему Протоуран и Протонептун

1 В определенный момент аккреции планет, нз-за большой хаотичности
н интенсивности их движения, гравитационные сферы их влияния сущест-
венно выросли. Взаимодействия с планетезималями стали приводить иногда
не к действительным столкновениям, а к рассеянию последних на другие
орбиты: как внутренние, так н внешние. Особенно вероятно это должно бы-
ло быть для Юпитера в связи с его большой массой и удаленностью от Солн-
ца.
не аккумулировали так много водорода и гелия, пока не совсем
ясно, хотя и имеется ряд гипотез. Внутренние же планеты были
слишком малы, чтобы захватить Н и Не.

Таблица 8. Параметры планет Солнечной системы1

Планета	Масса	R	Р	N	Г	Основные компоненты
Мерку- рий	0,055	0,38	0,99	—	0,39	Железо, никель, силикаты
Венера	0,81	0,95	0,95	—	0,72	Силикаты, железо, никель
Земля	1,00	1,00	1,00	1	1,00	Силикаты, железо, никель
Марс	0,11	0,53	0,71	2	1,52	Силикаты, железо, сульфаты
Юпитер	318	11	0,24	16	5,20	Водород, гелий и небольшое количество силикатов и льдов в центре
Сатурн	95	9,5	0,125	18	9,55	Водород, гелий и очень ма- лое количество силикатов и льдов в центре
Уран	14,5	3,7	0,22	15	19,2	~ 20% водорода, немного гелия, вода, силикаты и льды в центре
Нептун	17	3,9	0,31	8	30,1	Меньше водород, вода и большее количество силика- тов и льдов в центре
Плутон	0,002	0,18	0,37	1	39,5	Замерзшая вода, силикаты, органика

1 Массы планеты Солнечной системы, их радиусы — R и плотности — р
приведены относительно массы Земли — М», ее радиуса —R® и плотности —
ре. N— число спутников, г— расстояние до Солнца в а. е.

Таблица 9. Химический состав Солнца и планет (ат. %)

Элемент	Солнце	Планеты земной группы	Планеты-гиганты
Водород	93,5	0,1	- 90-93
Гелий	6,4	510-“>	-4-6
Кислород	-0,06	50	?
Кремний	~ 0,003	15	?
Железо	- 0,002	20	?

Отметим, что здесь химический состав Солнца немного отличается от
состава, приведенного в табл. 6. Такие различия — не более, чем отражение
трудностей, связанных с оценками подобных величин. Что касается планет-
гигантов, то информация об их составе очень ограничена.

Некоторые из небольших ледяных планетезималей, обра-
зовавшихся поблизости от Юпитера и Сатурна, были выбро-
шены ими из Солнечной системы. Другие, которые формиро-
вались около Урана и Нептуна, были выброшены на очень
большие орбиты и образовали облако Оорта. Далее Нептуна
не было достаточно вещества, чтобы сформировать большие
планеты. Кроме того, аккреция на таких больших расстояни-
ях от Солнца происходила гораздо медленнее. Ледяные пла-
нетезимали образовали за Нептуном пояс Койпера. Большие
планеты были в состоянии внести такую хаотичность в дви-
жение планетезималей, что направили некоторые из них к
планетам земной группы. Согласно одной из гипотез, ледя-
ные тела (планетезимали) принесли значительное количество
воды и летучих элементов на Землю.

Когда мы рассматриваем этот этап эволюции Солнечной
системы, мы должны иметь в виду, что на последней стадии
процесса формирования Солнечной системы с заметной ве-
роятностью могли происходить и гигантские столкновения
протопланетных объектов. Так, например, столкновение Про-
тоземли и тела марсианских размеров вполне могло привести
к образованию Луны. Подобные процессы могли привести и к
вращению Венеры в обратном направлении, необычному по-
ложению оси вращения Урана и т. д. Вероятность таких со-
бытий совсем не так мала, как недавно казалось.

Помимо планет, приведенных в табл. 8, имеется множество
более мелких объектов, из которых наиболее важными являют-
ся астероиды. Большинство из них находится между орбитами
Марса и Юпитера1 (рис. 47). Видно, что и в районе орбиты
Земли находится достаточно много астероидов. Столкновение
любого из них с Землей— это воистину катастрофическое со-
бытие для биосферы. Столкновения астероидов между собой

Рис. 47. Положение Земли (1),
Марса (2) и Юпитера (3) со стороны
северного полюса мира 07.04.1997 г.
В центре находится Солнце. Точками
представлены положения астероидов

1 Предполагается,1 что Юпитер образовался быстрее, чем планеты зем-
ной группы, поэтому он начал оттягивать к себе вещество из области, заня-
той сейчас поясом астероидов, и из той области, в которой формировался
Марс.
приводят к образованию более мелких тел, которые могут вхо-
дить в атмосферу Земли и даже достигать ее поверхности. В
этом случае мы говорим о метеоритах.

Мощным источником метеоритов и метеоритных дождей
являются кометы, особенно в тех случаях, когда Земля пересе-
кает их хвосты. К катастрофическим последствиям может при-
вести и столкновение достаточно крупной кометы с Землей. Яд-
ра комет имеют диаметры от 0,5 до 20 км и массу 1014-1015 кг.
Они состоят, как правило, из силикатных и карбонатных песчи-
нок, вкрапленных во льды, т. е. в замерзшие воду, диоксид и
монооксид углерода, метан и аммиак. Кометы делятся на две ос-
новные группы в зависимости от их периода обращения. Долго-
периодные кометы имеют орбитальный период от тысяч до мил-
лионов лет, а короткопериодные планеты имеют период менее
200 лет. Долгопериодные кометы приходят к нам из облака Оор-
та, и их орбиты ориентированы в пространстве произвольно.
Орбиты короткопериодных комет наклонены примерно на 30°
по отношению к плоскости Солнечной системы, а сами они при-
ходят к нам из пояса Койпера (рис. 48).

Рис. 48. Схематическое представ-
ление облака Оорта н пояса Койпера.
Ближайшая к нам звезда находится
на расстоянии в три раза большем
радиуса облака Оорта

Не нужно думать, что процесс аккреции имел определен-
ные временные границы. Он продолжается и сейчас, только
интенсивность его мала. На Землю постоянно поступает мате-
риал внеземного происхождения в виде космической пыли и
значительно реже в виде достаточно крупных обломков, кото-,
рые можно обнаружить и распознать. Оценки количества вне-
земного вещества, поступающего на Землю, весьма противоре-
чивы. В год это может составлять до 200300 тыс. т вещества.

Подведем итоги и перенесемся для этого снова на север-
ный полюс мира. Мы увидим внизу Солнечную систему, где в
направлении против часовой стрелки движутся 9 планет, ок-
руженных более чем шестьюдесятью их лунами, а также
кольца вокруг планет-гигантов (см. табл. П6). Если Венера и
Нептун имеют почти круговые орбиты, то орбита Плутона
характеризуется эксцентриситетом ~ 0,25, и поэтому в тече-
ние ~ 20 лет вблизи перигелия Плутон находится внутри ор-
биты Нептуна. Кроме того, орбиты самой ближней к Солнцу
планеты Меркурия и самой дальней — Плутона наклонены по
отношению к плоскости орбиты Земли соответственно на 7 и
17°.

Из спутников планет мы могли бы отметить спутники
Юпитера: Ганимед— самую большую луну в солнечной сис-
теме, чья поверхность свидетельствует о колоссальных столк-
новениях, приведших к образованию глубоких трещин, а
также Ио с его вулканами и Каллисто с многочисленными
кратерами. Самый большой спутник Нептуна— Тритон —
вращается в обратном направлении относительно Нептуна.
Он известен своими выбросами вещества через его слабую
атмосферу. Поверхность спутника имеет температуру всего
37 К и изрезана желобами. Вокруг всех планет-гигантов
имеются кольца, но наиболее мощными и известными явля-
ются кольца вокруг Сатурна.

Мы увидели бы также много астероидов (см. рис. 47), из
которых примерно 30 имеют диаметр более 200 км, а около
250— более чем 100 км. Всего же в Солнечной системе
предполагается наличие не менее миллиона астероидов.
Большие астероиды достаточно массивны для того, чтобы они
могли стать шарообразными в процессе их формирования. Но
возможны и отклонения. Так, например, Икарус, имеющий
диаметр около 2 км, — почти сферический, а намного больший
Эрос напоминает пластину размером 10x15x30 км. В 1994 г.
было обнаружено, что вокруг астероида Ида, напоминающего
картофелину длиной 56 км, на расстоянии ~ 100 км вращается
малый спутник Дактил (см. табл. П6), и вместе они образуют
мини-систему. Астероид Дактил можно рассматривать как
наименьшую из обнаруженных в Солнечной системе лун.
Отметим, что в настоящее время хорошо развита техника,
позволяющая по спектрам отражения определять состав
астероидов. И, наконец, мы бы увидели несколько миллиардов
комет (см. рис. 48). Все это погружено в межпланетную среду,
представляющую собой чрезвычайно разряженную плазму с
вкрапленными в нее редкими частицами пыли.

Можно сказать, что существование огромных скоплений
водорода с неизбежностью ведет к образованию звезд. Однако
ничто в структуре звезд или их эволюции не обусловливает об-
разования планет как следствия существования звезд. Тем не
менее планеты существуют. Торжество науки состоит в том, что
мы смогли построить общую теоретическую модель, в соответ-
ствии с которой планеты действительно образуются в результа-
те эволюции звезд. Это происходит естественно и логично без
всякой дополнительной игры воображения.

6.2.	СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
И ЕЕ БЛИЖАЙШЕЕ ОКРУЖЕНИЕ

Породы, слагающие поверхность Земли, заметно различа-
ются, и средняя их плотность принимается равной 2,8 т-м~3.
Большая часть поверхности Земли покрыта водой, плотность
которой 1 т-м~3. В то же время известно, что средняя плотность
Земли 5,518 т-м~3. При построении любых моделей, надо учесть,
что: 1) Земля имеет магнитное поле и поэтому где-то внутри нее
может находиться большая масса железа; 2) магнитное поле
дрейфует на запад, следовательно, эта масса вращается мед-
леннее, чем остальная часть Земли; 3) средняя плотность Земли
заметно выше, чем у скальных пород коры; 4) массовое содер-
жание железа на Земле должно быть ~ 20%, а в коре его только
- 5%; 5) S-волны не проходят через центральную область Земли,
следовательно, эта область жидкая. Вся эта информация при-
водит к единственному заключению: Земля негомогенна и
внутри нее имеется жвдкое металлическое ядро. Общие харак-
теристики нашей планеты даны в табл. П9.

Наиболее разработанным и поэтому самым точным мето-
дом изучения внутреннего строения Земли является сейсми-
ческий. На основании полученных данных с использованием
материалов гравитационных, магнитных, тепловых исследо-
ваний, а также результатов изучения поведения веществ при
высоких давлениях и температурах к настоящему времени
построены довольно детальные модели планеты.

Первая стадия изучения Земли свелась к построению
сферически-симметричных ее моделей, разработке теории ее
слоистого строения и изучению физических свойств каждой
оболочки. Современная стадия — это создание пространст-
венных моделей, основанных на томографических методах и
отражающих новый качественный уровень знаний.

Сейчас считается, что в Земле нет физико-химической
однородности по вертикали. При этом наибольшие отличия
отмечаются в верхней и глубинных частях планеты при отно-
сительной однородности промежуточной. Венцом сфериче-
ски-симметричных моделей внутренней структуры Земли
стало создание стандартной модели Земли.

Основными оболочками, фиксирующими главные про-
цессы эволюции Земли, можно считать1: внутреннее ядро
(средние интервалы глубин 51544-6371 км), внешнее ядро
(28864-5154 км), нижнюю мантию (6704-2886 км), верхнюю
мантию (194-670 км) и кору (средняя толщина ~ 19 км).
Большие скачки плотности на границах этих оболочек, ви-
димо, вызваны прежде всего различиями их химического со-
става при подчиненном влиянии других факторов (фазовые
состояния и переходы). В латеральном направлении все обо-
лочки, кроме коры, не отличаются большим изменением фи-
зических параметров и, по-видимому, не имеют больших ва-
риаций состава. Более распространенное до недавнего вре-
мени деление Земли на оболочки приведено в табл. П10.

Бесспорно, что химический состав любой звезды, планеты
или ее спутника является важнейшими их характеристиками.
Непосредственные исследования химического состава тел, со-
ставляющих Солнечную систему, проведены в настоящее время
только для Земли (в основном это касается земной коры), Луны
и метеоритов. Некоторая информация о химическом составе
ненаблюдаемой внутренней части Земли получается из анализа
распространения сейсмических волн, из магнитных измерений
и из некоторых других косвенных данных. Так, например,
плотность ядра Земли более 10 т-м~3, а единственным широко
распространенным в Солнечной системе тяжелым элементом с
близкой плотностью (р ~ 8 т-м~3) является железо, и из него же
состоят некоторые метеориты. Поэтому разумно предположить,
что в смеси с другими элементами оно и образует ядро. Кроме
того, из геофизических данных следует, что средний атомный
номер вещества, составляющего ядро, ~ 22. Атомный номер
железа 26 и, следовательно, оно должно находиться там в смеси
с другими, более легкими элементами.

Мантия занимает 83% объема Земли, а масса ее около
67%. К сожалению, прямой пробоотбор образцов для анализа
произвести невозможно, хотя некоторые фрагменты вещест-
ва мантии могут оказаться на поверхности в результате вул-
канических извержений. За последние 50 лет для отдельных
оболочек было сделано много оценок химического состава,
которые отличаются друг от друга, но общего в них больше,
чем различий. Типичные результаты приведены в табл. П11.

1 Границы, внутри которых находятся оболочки, не являются точно оп-
ределенными величинами. Однако при моделировании они задаются точно.
Все это относится только к основным элементам, данных же
о менее распространенных элементах намного меньше.

Общий подход при рассмотрении средне- и малораспро-
страненных элементов состоит в том, что они, вероятно, кон-
центрируются в жидких растворах в мантии, а затем выно-
сятся вверх и оказываются в конечном итоге в земной коре.
Это приводит к тому, что мантия становится относительно
обедненной, а кора обогащенной такими элементами. Такое
верно для урана и тория, так как их количества в земной ко-
ре и прилегающей части мантии достаточно для объяснения
теплового потока из недр Земли наружу. По мере анализа ог-
ромного количества образцов земной коры качество оценки
распространенности в ней элементов постоянно улучшается.
Результаты представлены в виде табл. П12 вместе с данными
по анализу проб лунного грунта и матеоритов (С1 хоцдритов).
Здесь же приведены последние данные по систематическому
исследованию состава континентальной коры. Многие могут
почерпнуть для себя из этой таблицы неожиданные сведения.
Например, такой мало используемый элемент, как рубидий,
оказывается достаточно распространенным, а промышленно
важные металлы, кроме железа и алюминия, очень мало рас-
пространены. Наиболее наглядно это иллюстрирует рис. 49.
Горизонтальная прямая, соответствующая содержанию ра-
диоактивного 238U в земной коре, делит все элементы на две
группы: более распространенные, чем этот изотоп урана, и
менее распространенные. Видно, что в последней группе
оказывается достаточно много всем известных элементов.

Для анализа экологических проблем в первую очередь
важна земная кора, которая фиксирует многие процессы
внутреннего развития планеты и является продуктом эндо-
генных, экзогенных и биосферных процессов. Восемь наибо-
лее распространенных химических элементов составляют в
сумме > 98% массы коры, при этом кислород составляет
46,5%. Глобальная латеральная неоднородность земной коры
находит наиболее яркое выражение в ее разделении на кон-
тинентальную и океаническую. Континентальная кора имеет
толщину от 25 до 75 км и состоит из осадочного, гранитного
и «базальтового» слоев с суммарной средней мощностью около
35 км. Океаническая кора Земли состоит из осадочного и ба-
зальтового слоев с суммарной средней мощностью 5-10 км.
Поверхность Земли в среднем относительно молодое образо-
вание, так как за время порядка 500 млн лет тектонические
процессы и эрозии убирают почти все свидетельства преды-
дущих периодов. Средний радиологический возраст пород
% эви’ еинвжбеАоэ
океанической коры ~ 100 млн лет, а континентальной
~ 1 млрд лет.

Следует отметить также слой пониженных скоростей
волн, который находится в верхней мантии. В океанах этот
слой располагается на глубинах от ~ 70 до ~ 350 км, а на
континентах— от ~ 90 до ~ 200 км. Допускается, что в этом
слое, получившем название астеносферы, происходит час-
тичное плавление мантийного вещества и доля расплава мо-
жет составлять несколько процентов1. Физико-механическая
особенность этого слоя привела к своеобразной обособленно-
сти вышележащей твердой оболочки — литосферы. Отметим,
что в учебной и научной экологической литературе термин
«литосфера» используется иногда еще в том же неопределен-
ном смысле, как и в самом начале столетия, когда он отожде-
ствлялся с земной корой. В настоящее время под литосферой
понимается верхняя часть Земли, выделенная по своим рео-
логическим свойствам и включающая всю земную кору и
часть верхней мантии. Существенно только то, что литосфера
представляет собой достаточно прочный слой Земли.

Соответственно коре литосфера также разделяется на
континентальную и океаническую, причем есть основания
полагать, что химическое различие между этими частями ли-
тосферы прослеживается и в мантии. Литосфера разбита на
целый ряд крупных блоков — плит, играюпщх важную роль в
эволюции планеты.

Каким же образом первоначально достаточно гомогенная
Земля приобрела такую структуру? Движущей силой эволю-
ции Земли является энергия, которая выделяется при распа-
де радиоактивных элементов, присутствующих в веществе
Земли и других планет в малых количествах, а также пер-
вичное тепло, возникшее при аккреции и образовании ядра.
Главными источниками первого вида энергии сейчас явля-
ются: семейства 232Th, 235U, 238U, а также ^К. Значения энер-
гий, выделяющихся при их распаде (за вычетом энергии ней-
трино), даны в табл. П15. На начальном этапе эволюции оп-
ределяющую роль играли более короткоживущие изотопы, в

1 Наблюдаемое понижение скорости сейсмических волн, особенно попе-
речных, и повышение электропроводности убедительно свидетельствуют о
своеобразном состоянии вещества, менее вязком, более пластичном по от-
ношению к выше- и нижележащим слоям. Вместе с понижением скоростей
сейсмических волн температура астеносферы (греч. астянос — слабый), при-
ближается к точке плавления. Геофизические данные указывают на наличие
неоднородности н расслоенности астеносферы, о чем свидетельствуют также
очаги магмы, возникающие на различных уровнях астеносферного слоя.
том числе 244Pu. Количество радиогенной энергии, выделив-
шейся за 4,5 млрд лет существования Земли, ~ 1031 Дж.

За счет только теплопроводности в планете, по размерам
близкой к Земле, теплота теряется очень медленно к Тепло,
которое накапливалось в недрах Земли, в конце концов стала
источником энергии для магматической и вулканической
деятельности или для орогенных движений.

Количество накопившейся во время аккреции энергии
определяется характером процесса аккреции. Максимально
возможная величина аккреционной энергии равна потенци-
альной энергии Земли, которая выделилась бы при рассеянии
в бесконечность всего вещества Земли. После простых вы-
числений получаем для нее значение 2,5-1032 Дж. Этого более
чем достаточно для полного расплавления всей планеты. Од-
нако Земля образовывалась заведомо не из отдельных ато-
мов, и реальная аккреционная энергия несравнимо меньше.
К тому же ее величина зависела от баланса между потерей
энергии с поверхности и скоростью аккреции планеты.

Тогда, когда в Земле началось разделение на мантию и
ядро, началось и выделение гравитационной энергии. Не бу-
дем здесь обсуждать, каким образом железо и растворенные
в нем элементы отделились и сконцентрировались в виде яд-
ра. Если тяжелые атомы железа опускаются в земном поле
тяготения, то должна выделяться потенциальная энергия.
Судя по оценкам, ее величина составляет приблизительно
1-1031Дж.

В табл. 10 сопоставляются три основных источника энер-
гии, определяющих эволюцию Земли. С учетом неопределен-
ности в оценке аккреционной энергии, все три вида энергии
примерно равны. С другой стороны, они весьма по-разному
влияют на эволюцию Земли. Вначале единственным видом
энергии была аккреционная, поэтому на ранних этапах раз-
вития Земли она имела решающее значение. В противопо-
ложность этому на протяжении всей геологической истории
главную роль играли долгоживущие радиоактивные изотопы.
Что касается энергии, выделившейся при перераспределении
вещества внутри планеты, например, разделения мантии и
ядра, то она должна была вносить наибольший вклад на на-

1 Расчеты показывают, что если бы Земля была вначале расплавлена и
внутренних источников энергии не было, то к настоящему времени Земля не
могли бы остыть до глубины, значительно превышающей 1000 км. Из-за
низкой теплопроводности любые внезапные изменения температуры на по-
верхности Земли отразятся на температуре ее центра через десятки милли-
ардов лет.
чальных стадиях эволюции, так как обособление ядра отно-
сится к раннему этапу геоистории.

Таблица 10. Энергетические источники
эволюции Земли

Аккреционная энергия	Е = - 2,5-1032 Дж
Разделение ядра	Е= - 1032Дж
Радиоактивный распад (за 4,5 млрд лет)	Е=~ 1032Дж

Несмотря на достигнутые существенные успехи в изуче-
нии Земли, первые 300-600 млн лет ее существования оста-
ются слабо документированными. Дифференциация перво-
зданной Земли привела к образованию большого флюидного
запаса (летучих компонентов в надкритическом состоянии) в
ее недрах, определившего ее последующую, уникальную по
своей длительности, по сравнению с другими планетами, эн-
догенную активность.

Внутреннее флюидное давление нарастало, и это приво-
дило к периодической дегазации, сопровождающейся обра-
зованием магматических расплавов, поступающих на по-
верхность. Самый ранний вулканизм, который характеризо-
вался высоко эксплозивным характером, был связан с интен-
сивным остыванием Земли. В этот период начала образовы-
ваться земная кора, которая почти не сохранилась к настоя-
щему времени. Одновременно за счет конденсации водяных
паров, окутывавших Землю, образовалась ее водная оболоч-
ка— гидросфера. В это же время формируется атмосфера.
Вероятно это произошло 3,8-4,1 млрд лет тому назад. Нали-
чие атмосферы и гидросферы сделало возможным в даль-
нейшем развитие жизни на Земле.

К концу архея, т. е. 2,7-2,5 млрд лет назад, возникли уже
значительные площади континентальной коры, которые, ве-
роятно, слились в единый суперконтинент — Пангею. Толщи-
на этой коры достигла нормальной для современных конти-
нентов мощности в 35-40 км. Современная земная кора
сформировалась в результате процессов магматизма, к кото-
рым после образования гидросферы присоединилось осадко-
накопление.

Создать общую гипотезу развития Земли, включив в нее
данные, полученные при исследовании океанов, была при-
звана гипотеза литосферных плит. Гипотезу литосферных
плит иногда называют гипотезой новой глобальной тектони-
ки. В ее рамках впервые сделана попытка объяснить разви-
тие Земли, учитывая данные как по океанам, так и по кон-
тинентам. Согласно этой гипотезе, океаническая кора обра-
зуется в срединных океанических хребтах при их раздвига-
нии (спрединге) за счет магматических расплавов, посту-
пающих из глубин Земли. Чтобы радиус Земли оставался
практически неизменным в течение геологической истории,
представление об образовании океанической коры было до-
полнено представлениями об ее исчезновении в результате
засасывания в глубоководные желоба, расположенные на ок-
раинах континентов, с последующим погружением в мантию
(так называемая субдукция). Океаническая кора составляет
42% поверхности Земли (не вся кора под океанами является
океанической).

В последнее время начинает развиваться глобальная гео-
динамическая модель. Она включает в себя гипотезу лито-
сферных плит и учитывает многооболочечное строение Зем-
ли. В рамках этой модели предполагается как автономность
протекающих в каждой из земных оболочек процессов, так и
их взаимодействие, которое может носить переменный ха-
рактер. Земля в ней рассматривается как открытая система,
подверженная влиянию процессов, протекающих в около-
земном космическом пространстве.

Отмечая всю важность рассмотренной выше дифферен-
циации Земли с образованием тяжелого ядра в центре, нуж-
но помнить, что для биосферы особый интерес представляют
атмосфера и гидросфера. В какой момент и как они образо-
вались? Сейчас твердо установлено, что примордиальная
атмосфера или никогда не существовала, или была полно-
стью потеряна. Дело в том, что Солнце проходило такую ста-
дию) своего развития, что не только атмосфера Земли, если
она существовала к тому времени, но и подавляющая часть
летучих элементов из этой части небулы была просто сдута.
Атмосфера, которая возникла после того, как примордиаль-
ные газы были потеряны, называется вторичной атмосферой.
В этгу вторичную атмосферу могло внести свой вклад и по-
глопцение планетезимали, состоящей из летучих элементов и
выброшенной на позднем этапе из зоны аккреции планет-
гигаштов во внутреннюю часть Солнечной системы.

(Откуда взялись летучие элементы для создания атмосфе-
ры? Все определяется колоссальной поверхностной активно-
стью) вещества, находящегося в высокодисперсном состоя-
нии.. Те частицы оксидов и металлов, из которых формирова-
лась» Протоэемля, и представляли собой такое вещество. На
их сочень активной поверхности адсорбировались атомы и
молекулы летучих элементов, а также молекулы воды и гид-
роксильные группы. При аккреции маленькие частицы объе-
динялись в крупные, и летучие вещества оказались как бы
погребенными внутри непродифференцированной перво-
зданной Земли. Земля, образованная из твердых частиц, в
действительности содержала в себе и. содержит сейчас
большое количество летучих элементов, так или иначе свя-
занных.

В какой-то момент ранней истории, когда температура
достаточно повысилась, железо стало мобильным настолько,
что начало мигрировать к центру Земли, образуя ее ядро и
способствуя формированию первичной мантии и коры.
Часть летучих веществ в процессе дифференциации испари-
лась наружу и была удержана гравитационными силами.

Образованная таким образом атмосфера, конечно, про-
исходит от небулярных газов, но ее химический состав отли-
чен. Он обусловлен теми летучими веществами, которые эф-
фективно прилипали к малым частицам небулы. Кроме того,
метан и аммиак— два существеннейших компонента пер-
вичной атмосферы, вероятно, не были стабильными при ус-
ловиях дегазации. Относительное содержание благородных
газов, которые плохо адсорбировались, должно было еще
уменьшиться по сравнению с содержанием химически ак-
тивных газов. При дегазации углерод и азот выделялись в ос-
новном в форме оксида и монооксида углерода и молекуляр-
ного азота.

В этой атмосфере вначале практически не было кислоро-
да (рис. 50). Фотолиз воды, обусловленный приходящей ра-
диацией, создает ничтожно малое количество кислорода.
Этот кислород начинает сразу принимать участие в процес-
сах седиментации, но имеющегося количества не хватает
даже для этого. Только после того, как появляются первые
живые существа — цианобактерии, количество кислорода
начинает заметно возрастать.

Обычно выделяют два критических для биосферы уровня
содержания кислорода в атмосфере планеты: а) точка Пасте-
ра — содержание кислорода в атмосфере Земли достигает 1%
от современного, и стала возможной аэробная жизнь; б) кон-
центрация, при которой стало возможным формирование
озонового слоя, — достижение 10% содержания кислорода в
атмосфере Земли от современного. Это привело к формиро-
ванию озонового экрана и дало возможность жизни сущест-
вовать среди мелководья и выйти на сушу.
к 100
X

Граница, начиная с
которой могут суще-
ствовать дышащие
воздухом организмы

0.01

Первые растения

Sprigging

"Древнейшие сине-
зеленые водоросли
(цианобактерии)

Cooksonia

Первые многоклеточные/

Первые эукариоты

Строматолиты
--LX_---1_____L

Безымянные

4.5	3.5	2.5	1.5	0.5

Миллиарды лет тому назад

Рис. 50. Изменение во времени содержания кислорода в атмосфере
Земли

Одно событие, помеченное на кривой, представленной на
рис. 50, следует отметить особо. Это появление первых и
наиболее успешных сосудистых наземных растений, принад-
лежащих к роду Куксония (Cooksonia). Они были найдены в
скалах, датируемых возрастом 410 млн лет, на нескольких
континентах. Именно они рассматриваются сейчас как пра-
родители современных лесов.

Что же происходило с другим компонентом атмосферы,
без которого невозможен фотосинтез и который вероятно
преобладал в архее в атмосфере? Речь идет о двуокиси угле-
рода. Тщательный анализ глобального климата позволяет в
настоящее время моделировать изменение парциального
давления СОг за время существования Земли. Результаты од-
ного из таких моделирований представлены на рис. 51.

Содержание СОг в атмосфере определяется геохимиче-
ским и биологическим циклами углерода. Считается, что гео-
химический углеродный цикл обладает термостатирующими
свойствами. Действительно, скорость дегазации очень чувст-
вительна к температуре и реагирует на ее изменения почти
мгновенно. Напротив, подповерхностная часть цикла харак-
теризуется большой стабильностью темпа дегазации. Если
возмущения климата приводят к увеличению температуры
поверхности, то скорость выветривания возрастает, удаление
СОг из атмосферы происходит быстрее, чем его поступление
от вулканической деятельности.

Рис. 51. Оценки парциального давления СОа на
протяжении времени существования Земли: 1 — моде-
лирование мелового периода, 2 — позднее докембрий-
ское оледенение, 3 — пермокарбоновое оледенение.
Сплошная кривая представляет наиболее вероятные
значения, полученные из принятой модели климата.
Заштрихованная область представляет собой область
возможных изменений

Таким образом, парниковый эффект может приводить к
похолоданию, нивелируя первоначальную тенденцию к поте-
плению. Обратное происходит, если Земля становится холод-
нее. Для любой разумной комбинации солнечной светимости,
скорости дегазации за счет вулканической деятельности,
площади, занятой сушей, и т. д. имеется равновесный уро-
вень содержания СОг (и других парниковых газов), при ко-
тором система оказывается стабильной.

Хотя геохимический углеродный цикл может функциони-
ровать самостоятельно, он работает как термостат еще лучше,
когда ему помогает биота. Дыхание микроорганизмов и корней
растений в почве приводит к тому, что концентрация СО2 ме-
жду частичками почвы оказывается в 10-100 раз больше, чем в
находящейся над ними атмосфере. «Живая» планета будет по-
стоянно иметь более низкий уровень содержания СОг и будет
холоднее. Так как биологическая активность также зависит от
температуры, отрицательная обратная связь будет даже силь-
нее в планетарном термостате. Гомеостаз живого мира оказы-
вается очень устойчивым. Жизнь в планетарном масштабе в
большей степени контролирует окружающую среду, чем при-
спосабливается к ней. Можно даже предположить, что посте-
пенное увеличение светимости Солнца приведет в конечном
итоге к такому понижению содержания СОг в биосфере, что его
станет недостаточно для поддержания фотосинтеза на нужном
уровне. Состав современной атмосферы Земли приведен в табл.
П13, а в табл. П14 дано его сравнение с составом атмосфер Ве-
неры и Марса.

6.3.	ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭНТРОПИЙНЫЕ ПОТОКИ.
ЭНТРОПИЙНЫЙ КРИЗИС

После того, как мы рассмотрели историю возникновения
и эволюции Земли и ее атмосферы, вряд ли могут быть со-
мнения в том, что это чрезвычайно сложная самооргани-
зующаяся система. Все то, что мы рассматривали в третьей
главе: термодинамику необратимых процессов в сильно не-
равновесной области, работы школы Пригожина, необрати-
мость, порядок, хаос, синергетику и самоорганизацию — со-
вершенно необходимо для анализа такой системы. В этом
разделе мы рассмотрим факторы, определяющие ее энерге-
тический баланс.

На протяжении последних десятилетий проблемам гло-
бальных изменений в окружающей среде посвящено огром-
ное количество конференций, публикаций и монографий.
Исходные утверждения о приближении глобальных катаст-
роф постепенно перестали звучать безапелляционно. Ученые
все отчетливее стали понимать, что недооценка роли любого
компонента природной среды, антропогенных и внешних
факторов обесценивает результаты анализа. С другой сторо-
ны, множество обратных связей и колоссальные потоки энер-
гии способствуют стабильности сложной самоорганизующей-
ся системы.

В качестве иллюстрации мы обратимся к климатоэколо-
гической системе, рассматривая ее в самом простейшем
приближении, т. е. как гигантскую тепловую машину, в ко-
торую поступает энергия высокого качества, характеризую-
щаяся температурой 5780 К и эксергетическим фактором
0,93. Эта энергия перерабатывается биосферой и излучается
обратно в пространство в виде длинноволнового излучения с
очень малым эксергетическим фактором.
Для описания процессов на планете (и работы такой ги-
гантской тепловой машины) необходимо знать ее энергетиче-
ский баланс — В. Так как для Земли приток и отток массы
можно не рассматривать, то энергетический баланс равен
разности поглощенного планетой потока энергии солнечной
радиации Фе (пропорционального площади поперечного се-
чения Земли л!?®2) и излучаемого ею потока энергии тепловой
радиации Ф® (пропорционального площади ее поверхности
4tlR®2). Тепловой поток из недр планет земной группы пре-
небрежимо мал по сравнению с этими потоками1. Схемати-
чески это можно представить в виде диаграммы (рис. 52).

Космос

_	Уходящее излучение

Приходящее
солнечное Коротковолновое Длинноволновое
излучение	.....* 	—

Поглощение
водяными парами,
пылью, Оз

Поглощение
облаками

Атмосфера

Поглощение
поверхностью
Земли

40

20

Атмосферное излучение

Отражение \
поверхностью
Земли Длинноволновое

Океан, Земля 46

Излучение
водяного -----------

napa.CO2.O3 Излучение
* облаками

Поглощение атмосферой
(Н2О.СО2.О3) и облаками
/6	»

Теплота
испарения

(тепловое) Турбулентная |
излучение теплоотдача

15

7	24

Рис. 52. Схема радиационного баланса

Уравнение радиационного баланса Земли запишем в ви-
де

В = Фе — Ф® + Фтпег~ L& [я7?®2/4я7?о®2]
(1 ~ А) ~ 4д7?®2<Тв7®е/И + Фшпег,

1 В метеорологии принято говорить о тепловом балансе — соотношении
прихода и расхода теплоты, отражающем закон сохранения энергии, н о
радиационном балансе, т. е. о соотношении прихода и расхода лучистой
энергии, являющемся частью более общего теплового баланса. В обоих слу-
чаях различают 3 вида баланса: атмосферы, подстилающей поверхности
(поверхности суши н Мирового океана) и системы Земля — атмосфера:
где Фтпег — тепловой поток, приходящий из недр, Ree — рас-
стояние от Солнца до Земли, А — интегральное альбедо,
Teefr— эффективная температура Земли, ств— постоянная
Стефана-Больцмана. Другие потоки энергии, такие, как сол-
нечный ветер, энергия приливов, метеорного вещества и
космических лучей, настолько малы по сравнению с основ-
ными, что ими пренебрежем.

Уравнение энергетического баланса можно еще упростить:

В = Ф© ~ Ф® = Je (1 — A)nRe? — AhRq?

где fs— поток атмосферного излучения (инфракрасной ра-
диации) с единицы площади. Здесь опущен, как очень малый
по сравнению с Ф® и Ф®, тепловой поток из недр Земли —
Фтпег. Средняя за год величина энергетического баланса
близка к нулю и отклонения В от нуля, связанные в основном
с изменением расстояния от Земли до Солнца, не превосхо-
дят - 4% поглощенного солнечного потока. На основании
анализа данных спутниковых измерений за прошедшие 20
лет мы примем следующие значения параметров, характери-
зующих энергетический баланс: /® =1368 Вт-м-2, А = 0,30, Т®е^
= 255 К и /® = 232 Вт-м-2.

Знание всех этих параметров позволяет легко сосчитать по-
глощенный Землей поток энергии солнечной радиаций. Более
того, сейчас хорошо известна и энергоемкость отдельных про-
цессов, на которые этот поток расходуется (см. табл. 11).

Из таблицы следует и то, что качество энергии — не менее
важный параметр, чем энергетические затраты. Так, в наи-
важнейшем процессе фотосинтеза преобразуется такой же по-
ток энергии, как в обычном процессе выпадения осадков. Учет
качества энергии, как наиболее важного параметра, при анали-
зе диссипативных процессов позволяет правильно ранжиро-
вать эти процессы. Кроме того, энергопотребление человечества
достигло действительно глобально значимого уровня. Это дик-
тует необходимость ограничения энергопотребления, так как в
данном случае все энерговьщеление происходит в очень локали-
зованной и чувствительной для биосферы области.

Заметим, что атмосфера заметно более прозрачна для фо-
тонов в максимуме солнечного излучения, чем для инфракрас-
ных фотонов, рассеиваемых Землей в космос. Поэтому в ней
устанавливается и поддерживается распределение температу-
ры по высоте с температурой у поверхности Teswf = 288 К, зна-
чительно большей, чем равновесная температура Т®< = 255 К
на высоте несколько километров, откуда инфракрасные фото-
ны уходят в космос. Разность этих двух температур АТ называ-
ется парниковым эффектом. За счет этого эффекта на Земле
существуют жидкая вода и биосфера. 1 * 3

Таблица 11. Потоки энергии на планете Земля

Вид процесса	Вт	К*
Поглощение солнечной радиации планетой	1,22 -10“	12200
Поглощение солнечной радиации поверхностью Земли, в том числе океаном	8,6 -10“  6,9-10“	8600  6900
Поглощение солнечной радиации атмосферой	3,6-10“	3600
Испарение воды	4,5-10“	4500
Диссипация кинетической энергии глобальной циркуляции атмосферы	(1+2,6) 10“	100+200
Тепловой поток от экватора к полюсу в атмосфере	(2+3,1) -10“	200+310
Диссипация кинетической энергии глобальной циркуляции океана	2,6-10“	2,6
Тепловой поток от экватора к полюсу в океане	(1+2) -10“	100+200
Сезонное таяние снега и льда	3,3-10“	33
Фотосинтез	1-10“	10
Выпадение осадков	110“	10
Тепловой поток из недр планеты	3,1-10“	3,1
Энергопотребление человечества	110“	1.0
Диссипация приливов в атмосфере и океане	2-10“	0,2
Выветривание горных пород	1-10*2	0,1
Вулканы и гейзеры	3,1-10“	0, 031
Поглощение солнёчного ветра магнитосферой (от магнитно-спокойных до возмущенных перио- дов)3	(2+8)-10“	0,02+0,08
Приток метеорного вещества3	3 -10“	0,003
Приток космических лучей	1,6-10“	0,016

1 R — поток энергии относительно современного энергопотребления че-
ловечества (1-10“ Вт), принятого за единицу.

г Меньшее значение — во время минимума солнечной активности.

3 Рассчитано в предположении, что приток метеорного вещества со-
ставляет 1000 т-сут*1, а средняя скорость метеороидов 50 км-с-1. Согласно
большинству оценок приток метеорного вещества составляет - 100 т-суг*.

Состояние планеты далеко от термодинамически равновес-
ного и на ней идут мощные диссипативные процессы, вклю-
чающие в себя потоки энергии и вещества. Для описания этих
процессов мы используем понятие энтропии, введенное во вто-
рой и третьей главах. То, что спектры солнечного излучения и
испускаемой Землей радиации близки к спектрам черного тела,
и то, что имеет место радиационный баланс, позволяет запи-
сать выражение для изменения энтропии климатоэкологиче-
ской системы в следующем виде:
AS = 4/3 «M1/7W- 1/Т®е#].

Для любой планеты Teff« TGeff и поэтому AS < О, т. е. сол-
нечная радиация всегда способствует процессам упорядоче-
ния, имеющим место на той или иной планете. Иногда гово-
рят, что имеется отток энтропии с планеты или приток не-
гэнтропии — AS, которая расходуется во всех процессах,
происходящих на планете.

Проделаем мысленные эксперименты. Заменим Солнце
звездой, характеризующейся тем же значением светимости
Lq (следовательно, и /е), но со спектром, существенно сдвину-
тым в инфракрасную область. На Землю будет падать поток
энергии, такой же по абсолютной величине, но существенно
более низкого качества. Некоторые процессы изменятся, а
другие не пойдут вовсе. Так мы знаем, например, что ин-
фракрасные фотоны не могут поддерживать фотосинтез.

При описании планеты одного энергетического баланса
недостаточно, нужно учитывать и баланс энтропии. Для изу-
чения устойчивости климатоэкологической системы необхо-
димо совместное использование данных об энтропии, ее про-
изводстве и энергетическом балансе. Конечно, имеется толь-
ко один поток, это поток фотонов и частиц, но у него есть
две характеристики, отражающие количество и качество
приносимой в систему энергии.

Используя вышеперечисленные значения параметров /®,
Тeeff, А, ТeeffH fe>, легко оценить, что поглощение 1,22-Ю17 Вт
солнечного излучения сопровождается производством энтро-
пии Р ~ 6,2-10м Вт-К-1 или в среднем на единицу площади cs
~ 1,22 Вт-м^-К-1. Такой огромный отток энтропии в космиче-
ское пространство совершенно необходим для поддержания
планеты Земля в том состоянии, в котором она сейчас нахо-
дится. Потоки энергии и энтропии для всех планет Солнеч-
ной системы представлены в табл. П16.

В последние годы на смену утверждениям об энергетиче-
ском кризисе приходят рассуждения об энтропийном загряз-
нении окружающей среды и о тепловом загрязнении. Попы-
таемся теперь разобраться о чем идет речь. Вначале обра-
тимся к табл. 12, которая показывает, в каких процессах
рождается более всего энтропии. Так как система в целом
достаточно стационарна, то, следовательно, именно в этих
же процессах будет и расходоваться основная часть посту-
пающей на планету негоэнтропии. Используем для прибли-
женной оценки роста энтропии данные о потоках энергии в
биосфере, приведенные в табл. 11. Существенным для нас
является то обстоятельство, что подавляющая часть энергии
преобразуется в небольшом числе процессов, а вклад осталь-
ных процессов в глобальный баланс пренебрежимо мал.

Таблица 12. Производство энтропии при протекании
различных процессов

Процессы	Os, Вт/м2-К
Вертикальный тепловой поток в океане	0,4-0,6
Потоки радиации в атмосфере	0,35-0,45
Испарение воды	0,28-0,31
Конвективный тепловой поток в атмосфере	0,03-0,05
Динамические процессы в атмосфере	0,02-0,037
Динамические процессы в океане	0,007-0,014
Таяние снега и льда	0,0024
Фотосинтез	0,0007
Вертикальный поток на суше	0,0001

Из табл. 12 следует, что наиболее важную роль в тепло-
вом режиме Земли играет океан, поглощающий около 80%
солнечной радиации, достигающей его поверхности. Испаре-
ние воды с поверхности планеты, дающее начало гидрологи-
ческому циклу (испарение с океана и суши, образование и
перенос облаков, выпадение осадков, сток рек), также со-
провождается существенным ростом энтропии. Вертикаль-
ные тепловые потоки в грунте много меньше, чем в океане, и
дают пренебрежимо малый вклад в глобальный рост энтро-
пии — на грани погрешности оценок.

Рассмотрим теперь энтропийные потоки в химических
реакциях. Самая мощная реакция — фотосинтез поддержи-
вает существование всей биосферы. Расход вещества при
выветривании много меньше, чем при фотосинтезе, поэтому
и энтропийные потоки здесь также много меньшие.

Таким образом, поддержание теплового режима Земли в
стационарном состоянии— это настолько активный дисси-
пативный процесс, что он ответствен за производство почти
70% энтропии на Земле1. Еще ~ 25% связано с испарением
воды, преимущественно с поверхности океанов. Водяной
пар, поднимаясь в атмосфере, конденсируется, создавая об-
лака, переносимые ветром на сушу, а выпадающие осадки

1 Детальный анализ показывает, что в биосфере, как н на планете в це-
лом, также около 70% притока негэнтропии расходуется на поддержание
теплового режима биосферы и лишь около 30% на собственно биосферные
процессы.
обеспечивают водой растения суши. В гидрологическом цик-
ле испаряется и затем выпадает в виде осадков ~ 5-1014 т во-
ды в год.

Что касается самой «атмосферной тепловой машины», то,
как обнаружил Э. Лоренц, кинетическая энергия атмосферы
и океана составляет всего 2-4% от поглощенной солнечной
энергии, т. е. ее КПД очень мал. На всю динамику атмосферы
и океана, включая все потоки массы и теплоты в атмосфере
и океане, цунами, ураганы и тому подобные явления, расхо-
дуется не более 5% пришедшей на Землю негэнтропии1.

Сама по себе задача оценки глобальных изменений кли-
мата и биосферы является чрезвычайно сложной и требует
совместного рассмотрения больших массивов данных, усред-
ненных по времени и по земному шару (таких, как радиаци-
онный баланс, температура и давление атмосферы, облач-
ность, осадки, индекс циркуляции, площадь льда и снега, со-
стояние растительности и др.). Согласно М.Н. Изакову, доста-
точно объективным и полным индексом глобальных измене-
ний на планете Земля могло бы служить измерение вариаций
притока радиационной негэнтропии, которые являются ме-
рой планетарных процессов. Для этого необходимо организо-
вать их мониторинг и сравнение полученных результатов с
теоретическими моделями.

В чем же заключается энтропийный кризис? С загрязне-
нием окружающей среды поллютантами, например не свой-
ственной природе органикой, сама природа может бороться,
противопоставляя этому свою гигантскую аккумуляционную
способность, разложение и депонирование поллютантов или
переработку их в различных биогеохимических циклах. Не-
обходимые энергетические и энтропийные потоки обеспечи-
вает Солнце. Так или иначе, такая сложная самоорганизую-
щаяся система, как биосфера, приспособится к ограничен-
ному ее загрязнению.

Совсем иная ситуация предстает перед нами, когда чело-
век воздействует на биосферу, изменяя ландшафты со ско-
ростью, в тысячи раз превышающей естественные геологиче-
ские процессы. Дело в том, что строительство любого объек-
та: дворца или завода, атомной подводной лодки или детской
коляски связано с потреблением невозобновляемых источни-
ков энергии и, следовательно, с созданием беспорядка в ок-

1 На Венере нет воды, поэтому большая доля солнечной энергии расхо-
дуется на динамику атмосферы, а производство энтропии при этом идет
более интенсивно.
ружающей среде — увеличением ее энтропии. В Нью-Йорке
может быть построен небоскреб — чрезвычайно упорядочен-
ная конструкция, характеризующаяся малой энтропией. Од-
нако это возможно только потому, что в других частях США и
за их пределами будет нарушена природа при добыче мате-
риалов, энергоносителей, продуктов питания для строителей
и т. д. и создастся больший беспорядок.

После выполнения любой работы суммарный беспорядок
всегда больше, чем полученное упорядочение, так как КПД
всегда меньше единицы и, как правило, меньше значитель-
но. Если со временем на месте упомянутого небоскреба (или
АЭС) мы захотим создать зеленую лужайку, то дополнитель-
ный рост энтропии будет еще больше. Так как в ближайшие
десятилетия мы не сможем полностью перейти на возобнов-
ляемые источники энергии, то, следовательно, мы и далее бу-
дем уменьшать упорядоченность окружающей среды, а про-
цесс необратимого роста энтропии будет продолжаться. Чем
больше мы будем тратить средств на рекультивацию, пере-
работку отходов, захоронение АЭС и т. д., тем больше вреда
мы будем наносить биосфере в долгосрочном плане. При ве-
дении хозяйства за счет невозобновляемых источников энер-
гии природоохранные мероприятия могут происходить в од-
ной части Земли (биосферы) только за счет большего ущерба
для природы в другой ее части.

Прекращению роста народонаселения, ограничению по-
требления и экологически обоснованному ведению хозяйства
нет, в действительности, никакой альтернативы.

6.4.	ПРОБЛЕМЫ ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

В предыдущем параграфе мы рассмотрели потоки энтро-
пии и энергии в климатоэкологической системе и показали,
что ее относительная стабильность обусловлена тем, что про-
изводство энтропии во всех диссипативных процессах на
Земле компенсируется постоянным притоком высококачест-
венной энергии солнечного излучения. Поэтому не только
энергия, но и энтропия часто используется в качестве инте-
гральной меры таких процессов.

Климатообразующие факторы, т. е. процессы или меха-
низмы, определяющие воздействия на климатическую систе-
му, обычно делят на две группы. К первой относят внешние
факторы, обусловливающие энергетические воздействия на
климатическую систему извне. Внутренние климатообра-
зующие факторы составляют вторую группу. Эти факторы
характеризуют свойства самой климатической системы и ан-
тропогенные воздействия на нее, так как человек является
неотъемлемой частью биосферы и, следовательно, климато-
экологической системы. В этом параграфе мы рассмотрим
влияние климатообразующих факторов, не связанных с сол-
нечной активностью.

Диссипация солнечной энергии, происходящая в биосфе-
ре, напоминает в какой-то степени свободный рынок. В ка-
ждом из процессов, и в первую очередь из процессов, пере-
численных в табл. 11, используется столько энергии, сколько
разрешают миллионами лет сложившиеся связи. То количе-
ство энергии, которое человечество потребляет сегодня на
удовлетворение всех своих нужд1, заметно меньше одной де-
сятой вариации солнечного потока, обусловленной просто
вращением Солнца, когда последнее находится в максимуме
своей активности (рис. 44, а). Можно сделать и более сильное
утверждение: энергопотребление человечества не достигнет в
обозримом будущем величины, равной разности потоков сол-
нечного излучения в максимуме и минимуме солнечной ак-
тивности в пределах «типичного» цикла.

Тем не менее проблема антропогенного теплового загряз-
нения окружающей среды бесспорно существует. Действи-
тельно, даже относительно небольшое в планетарном мас-
штабе воздействие может привести к значительным резуль-
татам, если оно будет нарушать определенные обратные свя-
зи, имеющиеся в системе. Так, хорошо известно, что тепло-
выделение районов, занятых мегаполисами, существенно
превышает тепловыделение маловозмущенных территорий.
Поэтому в таких, часто достаточно больших, районах уста-
навливается и свой микроклимат.

В семидесятые годы некоторые ученые выступили с ут-
верждением, что глобальную опасность представляет не само
тепловыделение, а сопровождающее его повышение концен-
трации в атмосфере таких парниковых газов (ПГ), как СОг,
СН4, N2O, Оз и галогенуглеводородов. Средства массовой ин-
формации подхватили тему о грядущем глобальном потепле-
нии и о бедствиях, которые могут случиться в обозримом бу-
дущем ввиду усиливающегося антропогенного воздействия
на природу. В итоге это привело к тому, что нормирование
выбросов СО2 и других ПГ стало приоритетной проблемой
для всего мирового сообщества и были введены международ-

1 И, следовательно, выделяет в виде энергии более низкого качества,
уходящей в космическое пространство.
ные квоты на выбросы СО2, которыми государства могут и
торговать. В экологическом законодательстве ряда стран ог-
раничения на эмиссию СО2 стали одними из основополагаю-
щих.

Такому развитию событий способствовало то обстоятель-
ство, что во второй половине XX в. стало модно предрекать
катастрофы и катаклизмы. Наличие обоснованных подтвер-
ждений этого совсем не обязательно. Просто люди боятся из-
менений. В частности, им хотелось бы, чтобы климат всегда
оставался таким, какой он есть. Однако климат менялся и,
очевидно, будет меняться впредь — по естественным ли при-
чинам или под воздействием человека. Можно задать вопрос,
а какой климат мы бы хотели иметь: более холодный или теп-
лый? Для России был бы предпочтителен более здоровый, бо-
лее теплый климат. Увеличилась бы биопродуктивность,
уменьшились бы затраты на отопление, улучшились бы усло-
вия для сельского хозяйства и т. д.

Вернемся к парниковым газам. Исходное утверждение
очень просто и наглядно. Сжигание органического топлива, и
в первую очередь угля, торфа и древесины, приводит к ус-
тойчивому повышению концентрации СОг, и в ближайшие
годы она повысится в два раза по отношению к периоду,
предшествовавшему промышленной революции1. Такое воз-
растание содержания СОг приведет к глобальному потепле-
нию. Моментально появились оценки грядущего потепления,
«обусловленного антропогенным фактором», хотя убедитель-
ных подтверждений подобного потепления не было тогда и
нет сейчас1 2.

Какова фактическая сторона дела? Известен ряд попы-
ток палеоклиматологического восстановления концентрации
СОг в атмосфере, и результаты одной из них были представ-
лены на рис. 51. В любом случае за прошедшие миллиарды
лет концентрация СОг уменьшилась существенно, а климат
не претерпел принципиальных изменений. Будем считать,
что концентрация СОг была равна 280 млн-1 объема сухого
воздуха в 1740 г. и с тех пор постоянно возрастает3. Что ка-

1 Существуют н два других, соизмеримых с этим, источника эмиссии в
атмосферу СО2 — это производство цемента и распашка земель и вырубка
лесов.

2 В последние годы нет даже существенного прогресса в отношении
прогнозов погоды на срок более 20 дней. Поэтому в техническом отношении
трудно ожидать достоверных прогнозов глобального климата на многие го-
ды.

3 Значение 280 млн-1 СОа, а также содержания СН« и NaO получены в
сается настоящего времени, то за эталонные данные прини-
маются результаты прямого мониторинга, начатого в 1958 г.
на обсерватории Мауана-Лоа на Гавайских островах
(рис. 53).

370

310

—I------1-----1_____I_____I_____I_____|_____|

1960	1965	1970	1975	1980	1965	1990	1995

Годы

Рис. 53. Изменение содержания СОа в миллион-
ных долях объема сухого воздуха. Зигзагообразная
зависимость представляет сезонные колебания со-
держания СОг, обусловленные фотосинтезом, дыха-
нием н разложением органических веществ

Ни у кого не вызывает сомнений то обстоятельство, что
СОг, как и другие парниковые газы, поглощает длинноволно-
вое излучение Земли. Однако его вклад в наблюдаемую вели-
чину парникового эффекта (ДТ= TSSurf- TSe/f= 33 К) менее де-
сяти градусов. Основной вклад в это значение ДТ— до 70%
вносят пары воды.

Если мы обратимся к рис. 35, то убедимся, что линии по-
глощения СОг действительно частично перекрывают нахо-
дящееся в диапазоне 7-15 мкм окно в атмосфере, благодаря
которому длинноволновая инфракрасная радиация уходит в
космическое пространство. Как видно из рис. 35, г, уже
имеющегося количества СО? в слое атмосферы толщиной
~ 11 км достаточно для полного поглощения излучения в

результате анализа пузырьков воздуха в ледовых кернах из Антарктики и
Гренландии. СОа может селективно поглощаться кристаллической решеткой
льда и даже частично диффундировать через нее, однако оценки таких эф-
фектов сейчас имеются. Будем считать, что, согласно анализам ледовых
кернов, содержание СОа возрастало от 190 млн-1 в середине максимума по-
следнего оледенения (гляциального максимума) - 15-18 тыс. лет тому назад
до 280 млн-1 перед началом промышленной революции и этот рост составлял
0,7-0,8 млн*1 за столетие. Рост этот не был постоянным, а имели место ос-
цилляции.
максимуме основной линии, соответствующей ~ 15 мкм.
Дальнейшее повышение содержания СОг приводит к непро-
порционально малому возрастанию поглощения уходящей
длинноволновой радиации Земли. Поглощение увеличится в
основном в высоко расположенных слоях, плотность кото-
рых, согласно барометрической формуле, всегда мала и кото-
рые оказывают малое влияние на Taswf.

Преобладание
солнечной
активности

Преобла- Солнечное и
даниевул- антропогенное
канизма воздействия

1600	1700	1800	1900	2000

Годы

Рис. 54. Пунктирная линия — значения Т9т^, полу-
ченные из имевшихся у авторов прямых метеорологиче-
ских измерений. Темная линия — значения температур
северного полушария, выведенные прежде всего из изу-
чения срезов деревьев. Все данные были усреднены по
10-летнему периоду. Серая линия — оценки изменения
солнечной радиации

В попытках хоть как-то экспериментально обосновать ги-
потезу надвигающегося катастрофического изменения климата
в результате антропогенной эмиссии СОг ряд авторов приводит
зависимости, подобные изображенным на рис. 54, где сравни-
ваются данные по солнечной радиации (серая линия) с расче-
тами летних температур, основанными на различных, опосре-
дованных и недостаточно представительных наблюдениях,
проводившихся в северном полушарии— темная кривая. По-
следняя в основном получена на основе анализа срезов деревь-
ев, датированных начиная с 1600 г., и проведена так, чтобы
согласоваться с данными прямых измерений, представленными
пунктиром. Рассматриваемый период разбит на три части, со-
ответственно тому, что, по мнению авторов расчетов, оказыва-
ло преобладающее влияние на изменение климата. Наблюдаю-
щийся рост температуры в нашем столетии ускорен, по мне-
нию авторов, антропогенным воздействием на климат1. Сред-
нее значение температуры, относительно которого приводятся
отклонения, является произвольным.

Что же это такое— глобальный климат1 2? Понятие это —
нечетко определенное, и далее мы будем говорить только о тем-
пературе Tasurf, которую примем за ведущий элемент. Измере-
ние Taswf— сложная проблема, и корректно с помощью аппара-
туры, находящейся на Земле, она не может быть решена и се-
годня, так как пунктов наблюдений недостаточно.

Некоторые ученые полагают, что средняя температура за
последнее столетие возросла на 0,3-0,5 К. Однако подавляющая
часть наземных станций находится в северном полушарии, где
расположена большая часть промышленности и больших горо-
дов. Мнения ученых о характере изменений температуры часто
не совпадают3. Спутниковые измерения средней температуры

1 В качестве типичных мы можем привести следующие оценки сторон-
ников изменения климата за счет роста концентрации парниковых газов.
Имеется положительное изменение радиационного баланса за счет роста
концентрации СО2, СН4, N2O и фреонов, и в сравнении с доиндустрнальным
периодом оно эквивалентно 2,4 Вт-мА Существует, однако, и отрицательное
воздействие на радиационный баланс, вызванное сульфатными аэрозолями
промышленного происхождения, дающими 0,25-0,9 Втм~2, и аэрозолями,
образованными в результате сжигания биомассы, - 0,6 Вт-мА Такая «бух-
галтерия» дает положительный баланс, ей соответствует правая часть рнс.
54, но ценность и достоверность ее не очевидна.

2 Под климатом мы будем понимать усредненные по ряду лет наблю-
даемые погоды и средние атмосферные условия, которые преобладают в
данном регионе. Сюда входят средние значения таких элементов климата,
как температура, влажность, количество осадков и ветры, которые преобла-
дают в разные времена. Кроме того, должны быть учтены и их экстремаль-
ные значения, изменчивость и частота различных аномалий. Подобное опре-
деление содержится и в учебнике О.А. Дроздова с соавт. «Климатология» (Л.,
1989): «Климат данной местности можно определить как характерный для
нее многолетний режим погоды, обусловленный солнечной радиацией, ее
преобразованиями в деятельном слое земной поверхности и связанной с ни-
ми циркуляцией атмосферы и океанов».

3 Так, согласно А.С. Монину, после малого ледникового периода, когда
Тввигг была ниже на 2-3 К, наступило потепление, которое продолжалось до
1940 г. Оно достигло максимума к 1940 г. Затем по загадочным причинам
началось небольшое похолодание, длившееся до 1965 г. (среднеглобальная
температура уменьшилась — на 0,1 К). С 1965 г. 7»™,/опять начала быстро
расти. Только этот последний рост можно как-то связывать с влиянием чело-
века, Последние годы снова были холоднее предыдущих. Однако бывают
годы холодные, годы теплые, и чередуются они хаотически. Такую межгодо-
вую изменчивость нельзя считать климатом. Мы пока не знаем, почему эти
колебания происходят и как их рассчитать.
нижних 5 км атмосферы, которые и призваны дать истинные
значения Tsswf, начались только 20 лет тому назад. Тщательный
анализ показывает (рис. 55), что начиная с 1979 г. температура
не только не возрастает, но может быть и немного уменьши-
лась. Заметим, что это был также период очень интенсивной
эмиссии парниковых газов. Иными словами, более новые ис-
следования показывают, что глобальная температура в течение
последнего столетия, по-видимому, изменялась в заметно
меньшем диапазоне, чем это представлено на рис. 54 черной
линией для температуры северного полушария.

Рис. 55. Значения Та™#, полученные разными методами

Существенным моментом при всех рассмотрениях воз-
можных изменений климата является чувствительность кли-
матоэкологической системы к изменению потока солнечной
радиации и концентрации парниковых газов. Имеются раз-
личные оценки, которые в среднем сводятся к следующему:
увеличение солнечной постоянной на 1% должно приводить к
возрастанию T&swf на ~ 2 К. Что касается парниковых газов,
то самые сложные программы, используемые международ-
ным комитетом по изменению климата (Intergovernmental
Panel on Climate Change— IPCC), работающим под эгидой
ООН, и призванные продемонстрировать роль эмиссии пар-
никовых газов, дают, с учетом вклада от аэрозолей, к 2100 г.
потепление на ~2 К и повышение уровня мирового океана на
~ 50 см.
Как пролить больше света на возможную связь между
концентрацией парниковых газов и Tesurj? Путь один — обра-
титься к палеоклиматическим данным. Прежде всего отме-
тим, что если бы климатоэкологическая система (глобальный
термостат) работала просто линейно, то, согласно стандарт-
ной модели Солнца, ~ 3,7 млрд лет тому назад Земля должна
была быть покрытой льдом, так как светимость Солнца была
на ~ 24% меньше и, следовательно, можно было ожидать
TSSuif на ~ 48 К ниже, чем сейчас. Хорошо известно, что этого
не было и температура не очень отличалась от теперешней.

-+3

Последний ледниковый период

8. о
и
₽ -2

&

| 0-

£
X

2

10 000 8 000 6 000 4 000 2 000а ф
Годы до н.э.

Голоценовый максимум Малая
ледниковая
эпоха

Годы после н.э.

Предыдущие ледниковые периоды

800 000 600 000 400 000 200 000

Годы ДО Н.Э.

$ -1 -
ф 1

Рис. 56. Изменения тем-
пературы в течение последнего
миллиона лет. Пунктирная
линия представляет условия,
близкие к началу XX в.: а —
зависимость для последнего
миллиона лет; б— для послед-
них десяти тысяч лет, в — по-
следнее тысячелетие

Из рис. 56 видно, что последние четыре тысячи лет, ко-
гда концентрация СО2 составляла 280 млн-1 объема сухого
воздуха и была приблизительно постоянной, характеризова-
лись достаточно резкими перепадами температуры. Оконча-
ние последнего ледникового периода сопровождалось повы-
шением T^surf на - 4 К. Начало и конец малой ледниковой
эпохи также сопровождались значительными колебаниями
температуры1. Если рассматривать не четыре, а двести пять-
десят тысяч лет, то здесь уже удается сделать заключение о
некоторой синхронности изменений содержания СОг и тем-
пературы. Ряд ученых в настоящее время считает, что имен-
но содержание СОг следует в определенной степени за изме-
нениями температуры, однако последние намного больше,
чем это следует из существующих моделей климата в пред-
положении, что все определяется парниковыми газами.
Более того, оказывается, что возрастание содержания СОг
не предшествовало, а следовало за возрастанием темпера-
туры.

Существующие модели глобального климата оказываются
неэффективными, когда их пытаются использовать для рас-
четов ситуации в прошлом, о котором мы с той или иной сте-
пенью достоверности имеем сведения. Конечно, в далеком
прошлом климат был не совсем аналогичен настоящему, но
если речь идет о разности во времени в десятки или сотни
тысяч лет, то отличия должны быть несущественными. В лю-
бом случае палеоклиматические данные не свидетельствуют о
том, что изменения в содержании СОг могут быть опреде-
ляющим фактором изменения климата.

Известно, что на Tssurf оказывает влияние концентрация
озона, а ее изменения в разных слоях атмосферы могут при-
водить к противоположным эффектам. Аэрозоли могут за-
метно понизить глобальную температуру. Чрезвычайно вели-
ка роль облачности. Уменьшение облачного покрова на ~ 3%
достаточно для того, чтобы T&surf повысилась на ~ 0,5 К, т. е.
оказывается эквивалентным тому, что обусловлено, по мне-
нию некоторых ученых, ростом концентрации парниковых
газов за последнее столетие.

Вне сомнений, определенное антропогенное воздействие
на климат существует, а один из самых чувствительных фак-
торов, определяющих энергетический баланс, — альбедо —
зависит не только от облачности, но и от ландшафта. Если
мы вспомним, что первобытные охотники смогли превратить
огромные территории Африки в саванну, то что же говорить
о масштабах современного воздействия! Сейчас приблизи-

1 Средневековый теплый период, может быть, был ограничен только
районом северной Атлантики, однако малая ледниковая эпоха, по-впдимому,
имела глобальный характер.
тельно 2% всей суши превратились в дома, дороги и аэро-
порты, ~ 10% — это пашни, ~ 20% используются для выпаса
скота. Эти изменения продолжают расти. Отметим, что мно-
гие из них носят необратимый характер и связаны с энтро-
пийным кризисом, о котором мы говорили в предыдущем
параграфе.

Что касается содержания СОг, то, несмотря на уничто-
жение лесов и распашку больших территорий, у природы
имеются еще резервы для поддержания необходимого балан-
са углерода. В качестве примера работы биогеохимической
системы, регулирующей содержание СО2, можно указать на
резкое уменьшение скорости накопления СОг в атмосфере,
последовавшее за гигантским извержением вулкана Пенату-
бо в июне 1991 г. на Филиппинах1. Извержение привело как
бы к опылению огромных площадей Тихого океана вулкани-
ческим пеплом, содержащим железо, которое вызвало «цве-
тение планктона», что привело, в свою очередь, к резкому по-
треблению СО2 из атмосферы. Более того, такое «цветение»
сопровождалось эмиссией диметилсульфида, образованием
аэрозолей и, таким образом, прямым охлаждением нижних
слоев атмосферы.

Одним из вопросов, который возникает при рассмотре-
нии глобального потепления, является вопрос об изменчиво-
сти будущего климата. Сейчас можно встретить мнения о
том, что климат становится не только более теплым, но и бо-
лее изменчивым. Тем не менее в отчете IPCC за 1996 г. — ор-
ганизации, защищающей по сути дела позицию ученых, свя-
зывающих эмиссию СОг и глобальное изменение климата, —
мы читаем, что нет никаких доказательств того, что в гло-
бальном плане на протяжении XX столетия возросли экстре-
мальные проявления погоды или изменчивость климата, хотя
данные для анализа достаточно бедные и неполные. В регио-
нальном плане имеются свидетельства некоторой экстре-
мальности и изменчивости климата. Однако некоторые авто-
ры указывают на большую изменчивость, другие на мень-
шую, поэтому пока преждевременно как-то связывать все
это с глобальным потеплением.

Можно сказать, что рост концентрации парниковых га-
зов оказывает не большее влияние на климат, чем изменение
солнечной постоянной, и к этому вопросу мы обратимся в

1 В значительное и длившееся более двух лет похолодание в южном по-
лушарии большой вклад внесли аэрозоли, выброшенные в верхние слои ат-
мосферы в результате извержения.
следующем параграфе. Нет оснований также утверждать,
что другие каналы антропогенного воздействия на климато-
экологическую систему оказывают меньшее воздействие, чем
изменение концентрации СОг. Это относится к факторам,
влияющим на альбедо, содержание озона, аэрозолей и пар-
никовых газов, отличных от СОг. Однако корректный анализ
всех этих факторов — дело будущего.

Специалисты в области атмосферы создали ряд глобаль-
ных климатических моделей с целью имитировать чрезвы-
чайно сложную самоорганизующуюся климатоэкологическую
систему планеты. В этой системе, как и в других диссипа-
тивных системах, важную роль должен играть хаос. Как бы
ни хороша была любая из этих моделей, она является только
моделью, т. е. попыткой приближенного описания хитроспле-
тения химических, биологических, физических и геологиче-
ских процессов, протекающих на Земле, а также влияющих
на все это внешних факторов. Она неизбежно оказывается
упрощенной, детерминированной моделью, основанной на
имеющихся сегодня сведениях о природе.

По сути своей все эти модели призваны отражать сего-
дняшнее состояние вещей. Методом проб и ошибок програм-
мы настраиваются так, чтобы предсказывать погоду на бли-
жайший отрезок времени. Долгосрочные прогнозы на этом
пути также требуют подгонки и настройки программ, и та-
кая коррекция требует времени, соизмеримого со временем
эволюции системы.

На рубеже тысячелетий не только многие приверженцы
гипотезы глобального потепления пересмотрели свои взгля-
ды1, но и появился другой, альтернативный подход к этой
проблеме. Он основывается на том, что атмосфера является
открытой диссипативной системой с обратными связями и
описывается существенно нелинейными уравнениями. Исхо-
дя из этого для оценки величины парникового эффекта пла-
нетной атмосферы используется термодинамический подход
и адиабатическое уравнение состояния газа в тропосфере.
Цель такого подхода — избежать решения задачи о парнико-
вом эффекте путем моделирования процесса прогрева атмо-
сферы и исключить неопределенности в оценках тех или
иных параметров принятой модели, которые делают решение
задачи некорректным. Рассмотрение природы парникового

1 Так, например, Ю.А. Израэль пишет: «Не совсем очевидным является,
можно ли сейчас наблюдать антропогенное повышение температуры...»
эффекта проводится с синергетических позиций1. Оказыва-
ется возможным пользоваться только наиболее значимыми
параметрами среды и определяющими характеристиками
управляющего процесса, например, значением солнечной по-
стоянной, массой атмосферы и ее теплоемкостью, но при
обязательном учете управляющих параметров.

У планет с плотной атмосферой в качестве основного ме-
ханизма выноса теплоты с поверхности предполагается кон-
вективный массоперенос воздуха в тропосфере, а распреде-
ление температуры в этой части атмосферы оказывается
адиабати-ческим. Тропосфера рассматривается в виде само-
регулирующейся динамической системы, охваченной отри-
цательной обратной связью через альбедо планеты, на вход
которой подается излучение, соответствующее излучению
черного тела с Т eeff. Процессы, приводящие к выделению или
поглощению дополнительной теплоты в толще тропосферы,
определяют значения показателя адиабаты. Примером такого
процесса является выделение теплоты при конденсации на-
ходящегося в атмосфере водяного пара. Поглощение ИК из-
лучения углекислым газом приводит в рамках такой модели
также к изменению значения показателя адиабаты1 2.

Расчеты показали, что при замене азотно-кислородной
атмосферы Земли на углекислотную должно произойти похо-
лодание глобального климата приблизительно на 5,3 К (а не
его потепление). Парадоксальный на первый взгляд результат
о меньшем значении парникового эффекта для углекислот-
ной атмосферы заключается в том, что главным фактором,
определяющим температурный режим планетной тропосфе-
ры, является давление (т. е. масса) атмосферы. Снижение же
температуры при замене азотно-кислородной атмосферы на
углекислотную при том же давлении объясняется ее меньшей
теплоемкостью и большей плотностью, а следовательно,
меньшей толщиной самого атмосферного слоя. Тонкая атмо-
сфера с меньшей теплоемкостью оказывается подобной тон-

1 В качестве представителей такого направления можно указать О.Г.
Сорохтина и С. А. Ушакова.

2 В рамках этого подхода более просто объяснить и упоминавшиеся
выше данные по анализу содержания СОг в пробах воздуха из ледяных кер-
нов Гренландии и Антарктиды, показывающие, что в периоды межледнико-
вых потеплений концентрация СО2 в атмосфере всегда повышалась. Повы-
шение парциального давления СО2 в атмосфере является не причиной поте-
пления климата, а только его следствием. Объясняется это отрицательной
температурной зависимостью растворимости СОг в океанических водах н
законом Генри, устанавливающим динамическое равновесие между парци-
альным давлением газа в атмосфере н его содержанием в гидросфере.
кому одеялу плохого качества, оно хуже сохраняет рассеи-
ваемую в нем теплоту.

Основным выводом рассматриваемого подхода является
то, что при постоянстве солнечного излучения главным фак-
тором, определяющим величину парникового эффекта плот-
ной планетной атмосферы, является масса атмосферы. Со-
став атмосферы играет несколько меныную роль и влияет на
температурные режимы тропосферы только через молеку-
лярный вес и теплоемкости ее газовой смеси. Газовые приме-
си, активно поглощающие в атмосфере тепловое излучение,
практически не оказывают никакого влияния на глобаль-
ный климат планеты, поэтому и выбросы в земную атмосфе-
ру антропогенного углекислого газа, как и других менее зна-
чимых парниковых газов, практически не меняют климат
Земли.

Неоспоримой и главной чертой климата является его из-
менчивость. Она прослеживается при изучении самых разно-
образных исторических данных. В истории Земли неодно-
кратно имели место ледниковые эпохи, во время которых
происходили гигантские оледенения. Глобальные температу-
ры в это время могли уменьшаться на величины до 10 К по
сравнению с сегодняшней. Если за последние сто лет гло-
бальная температура приземного слоя воздуха повысилась на
0,4 К, то человек практически не ощутил этого. Мы привыкли
к суточным колебаниям температуры 10-20 К. Все теплые
периоды и оледенения начинались и кончались по естествен-
ным причинам, без влияния человека. Заметим, что большее
содержание углекислого газа в атмосфере стимулирует раз-
витие растений, а если будет больше растений, то будет
больше питания сначала для травоядных, затем для других
животных, и все будут довольны.

Предположим, что антропогенного воздействия на кли-
матоэкологическую систему Земли просто нет. Изменения
климата тем не менее будут происходить вследствие естест-
венных причин. Однако будет ли человечеству лучше от того,
что оно не виновато, например, в засухах? С большой веро-
ятностью можно утверждать, что все равно будут сделаны
попытки приписать вину человеку.

Заканчивая рассмотрение роли внутренних факторов,
мы можем сказать, что сегодня не только количественные их
характеристики, но даже само существование некоторых из
них еще недостаточно определенно, чтобы предсказать кли-
матические изменения. Причиной неопределенности служит
как нехватка данных наблюдений, так и высокая степень
саморегулирования в климатоэкологической системе Земли.
Здесь мы видим гигантские потоки теплоты, воды, воздуха,
атмосферной влаги и огромную биологическую активность. В
то же время система несомненно скрывает детали механиз-
мов самоорганизации, малые по сравнению с наблюдаемыми
потоками, но существенные для определения трендов. Про-
гресс в теории самоорганизации и в синергетике будет спо-
собствовать дальнейшему прогрессу и здесь.

Особенно следует помнить о том, что обилие разных
факторов и хаотические взаимодействия между ними при-
водят к неоднозначности климата. При одних и тех же
внешних условиях на Земле может существовать несколько
типов климатов. Что касается временной шкалы, то, соглас-
но некоторым теориям, внутренние факторы, такие, как
взаимодействие атмосферной и океанической циркуляции с
полярными льдами, могут вызывать не только кратковре-
менные колебания погоды, но и возмущения, длящиеся до
10 тыс. лет.

Остановимся теперь кратко на внешних факторах1 и вы-
делим три их группы.

1.	Факторы, связанные с гравитационными взаимодейст-
виями.

2.	Факторы, связанные с солнечной активностью.

3.	Случайные факторы, связанные с возможными значи-
тельными изменениями в метеоритной обстановке, столкно-
вениями с кометами или астероидами.

Факторы, относящиеся к первой группе, наиболее хорошо
изучены. Они связаны с изменениями параметров, характе-
ризующих движение Земли относительно Солнца и ее враще-
ние. Несмотря на то, что массы планет значительно меньше
массы Солнца, при определенных обстоятельствах они за-
метно возмущают орбиту Земли и характеристики ее орби-
тального движения.

Во-первых, примерно раз в 105 лет меняется эксцентри-
ситет орбиты. Может быть, существуют и более длительные
периоды изменения эксцентриситета (до 400 тыс. лет). Это
приводит к изменению расстояния между Землей и Солнцем,
а следовательно, и к изменению значения fi>. При малых экс-
центриситетах (~ 0,017) значения fe в перигелии или афелии
орбиты различаются незначительно. При наибольшем экс-
центриситете — 0,0658 — в перигелий приходит энергии

1 Так как скорость вращения Земли меняется плавно и только в направ-
лении замедления, то этот фактор мы рассматривать не будем.
больше, чем в афелий, на величину, составляющую до 10-
20% солнечной постоянной.

Во-вторых, смена времен года определяется наклоном
оси вращения Земли к эклиптике. Возмущения от планет
Солнечной системы приводят к изменению этого наклона,
т. е. к колебаниям угла наклона с периодом ~ 40 тыс. лет
(может быть, существует и период ~ 200 тыс. лет). Такие ко-
лебания могут приводить к изменениям широты тропиков и
полярных кругов на ~ 2,5°. Угол наклона эклиптики к эквато-
ру в момент образования Земли был мал (около 4°), что пред-
полагало большие межширотные различия.

В-третьих, значимыми для климата являются гравитаци-
онные возмущения, приводящие к изменению угла прецес-
сии земной оси относительно перпендикуляра к эклиптике.
Период прецессии составляет 26 тыс. лет. Прецессия земной
оси приводит к взаимному изменению положения точек зим-
него и летнего солнцестояния относительно перигелия орби-
ты. Период, с которым повторяется одно и то же взаимное
положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестоя-
ния, составляет ~ 21 тыс. лет1.

Соотношения между величиной эксцентриситета и поло-
жением точек солнцестояния определяют контрасты меж^у
летом и зимой и то, в каком полушарии будет более жарко1 2.
Малые гравитационные возмущения в движении Земли мо-
гут приводить к ощутимым изменениям количества солнеч-
ной энергии, поступающей на Землю, и оказывать сущест-
венное влияние на условия формирования климата.

Мы видим, что периоды этих орбитальных возмущений
заметно короче геологических периодов развития нашей
планеты. Это позволило М. Миланковичу создать теорию ко-
лебаний климата Земли, объясняющую причины образования
ледниковых периодов.

1 В 1250 г. перигелий орбиты совпадал с точкой зимнего солнцестояния.
В 1995 г. Земля проходила перигелий 4 января, а зимнее солнцестояние было
22 декабря.

2 При большом эксцентриситете путь, прилегающий к перигелию, где сол-
нечная радиация наибольшая, Земля проходит быстро, а оставшуюся часть вы-
тянутой орбиты через точку весеннего равноденствия к афелию— медленно,
долго находясь на большом удалении от Солнца. Если с перигелием орбиты будет
совпадать точка летнего солнцестояния, то в северном полушарии будет наблю-
даться жаркое лето и длительная холодная зима, в южном — наоборот. Длитель-
ное прохладное и влажное лето является благоприятным фактором для роста
ледников в полушарии, где сосред оточена основная часть суши.
6.5.	АТМОСФЕРА КАК СРЕДА,
ЧЕРЕЗ КОТОРУЮ ПЕРЕДАЮТСЯ
ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ

Чтобы рассмотреть воздействие на климатоэкологиче-
скую систему внешних факторов, связанных с солнечной ак-
тивностью, мы должны иметь в виду, что любой внешний
фактор может считаться значимым для биосферы только по-
сле того, как он оказал какое-нибудь воздействие на атмо-
сферу или земную кору. На пути излучений или космических
тел при их движении к Земле находится атмосфера, т. е. га-
зовая оболочка, окружающая Землю.

В отличие от атмосфер других планет, земная атмосфера
является продуктом биосферы. Атмосфера играет исключи-
тельную роль в жизни нашей планеты. Она необходима для
поддержания и развития любой существующей на Земле экоси-
стемы. Она является как важнейшим фактором в развитии
всех биологических, так и многих геофизических процессов.
Глобальные, особо опасные природные явления и долгосрочные
изменения связаны с атмосферой. Ее газовые и аэрозольные
компоненты являются средой, обеспечивающей перенос и
трансформацию многих природных и антропогенных эффектов.

Плотность атмосферы уменьшается экспоненциально с
высотой, а относительное содержание N2, О2, Ar, СО2, Ne поч-
ти не изменяется примерно до 86 км (см. табл. П7 и П13). В
этой области также присутствуют такие атомы, молекулы и
радикалы, как О, Оз, ОН*, NO, Н, образованные в основном
за счет фотохимических процессов1. Кроме того, на этих вы-
сотах содержится водяной пар и мельчайшие твердые и
жидкие частицы — аэрозоли.

Атмосферные аэрозоли — это взвешенные в воздушной
среде частички твердых или жидких веществ. Содержание
аэрозолей в атмосфере характеризуют их концентрацией и
распределением по размерам. Имеются два основных про-
цесса их образования: конденсации различных газообразных
продуктов, в частности водяного пара, и диспергирование
вещества поверхности Земли и океана, а также других про-
дуктов, выбрасываемых в атмосферу. В первом случае аэро-
золи называются конденсационными, а во втором — диспер-
гированными. Рост аэрозольных частиц после их образова-

1 Суммарная их концентрация составляет не более 10-7 от количества
основных компонентов.
ния происходит как за счет конденсации вещества на заро-
дышах, так и за счет агломерации частиц.

На основе механизма образования и химических свойств
аэрозолей имеет место следующая их классификация: пыль, ес-
ли вещество частиц находится в диспергированной твердой
фазе; водная пыль — аэрозоль в диспергированной жидкой фа-
зе; дым — конденсационные аэрозоли и фотохимические аэро-
золи, которые метут быть как в жидкой, так и в твердой фазах;
смог — смешанные аэрозоли, состоящие из частиц дыма, тума-
на и их агломератов. Облачные частицы по этой классифика-
ции относятся к туманам.

Размеры аэрозольных частиц заключены в широких пре-
делах от 1 нм (в случае кластеров) вплоть до 100 мкм при пы-
левых бурях. Как правило, их объед иняют в три класса: мел-
кодисперсные (s 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1 мкм— 1
мкм) и грубодисперсные (£ 1 мкм). Аэрозоли могут быть как
нейтральными, так и заряженными в результате различных
процессов ионизации атмосферных газов. Аэрозоли оказы-
вают воздействие на климат, как изменяя альбедо, так и
препятствуя прохождению солнечного излучения.

Атмосфера является сложной, многокомпонентной, сжи-
маемой средой. В ней протекают различные процессы, и в
первую очередь химические реакции. Она испытывает те или
иные воздействия и характеризуется:

1.	Свойствами механически сжимаемой среды и явле-
ниями массопереноса (ветры, метеорологические явления,
климат).

2.	Химическими свойствами: производство нейтральных
атомных и молекулярных компонентов; производство иони-
зированных компонентов и их реакции (аэрономия).

3.	Атмосферной ионизацией и электромагнетизмом (на-
пример, ионосферные явления и распространение радиоволн).

4.	Светимостью атмосферы (например, аэрономия по-
лярных сияний, ночное свечение неба).

Чтобы описать поведение различных атмосферных слоев,
используются модели сплошных сред— газокинетические и мо-
дели для частиц, движущихся по баллистическим траекториям.

Существует несколько способов деления атмосферы на
оболочки или слои. В их основе лежат различия физических
условий и протекающих в каждом из таких слоев характер-
ных процессов. Основываясь на распределении температуры
по высоте, обычно выделяют тропосферу, стратосферу, мезо-
сферу, термосферу и экзосферу. Характерный температур-
ный профиль для первых 100 км представлен на рис. 57, а.

Поглощение энергии в любом слое атмосферы зависит от
произведения концентрации ее компонентов на энергетиче-
ское распределение спектра приходящего туда излучения и
на сечение взаимодействия излучения с веществом. На этой
основе С. Чапменом была создана феноменологическая мо-
дель образования атмосферных слоев, в которой принято во
внимание и поглощение радиации, ведущее к фотодиссоциа-
ции и фотоионизации.

Тропосфера, которая представляет наиболее важные для
биосферы первые ~ 10 км атмосферы, содержит ~ 75% массы
атмосферы. Это царство климата, погоды и, конечно, жизни.
Она обеспечивает наиболее важные взаимодействия в окру-
жающей среде. В тропосфере до высоты ~ 10 км1 имеет место
адиабатический вертикальный градиент температуры. Умень-
шение температуры обусловлено тем, что тропосфера нагрева-
ется от Земли.

Выше расположена стратосфера— область, где начина-
ется рост температуры в результате поглощения солнечного
излучения. Наиболее важны фотохимические реакции, при-
водящие к образованию О и Оз и формированию озонового
слоя. Рост температуры в стратосфере обусловлен интенсив-
ным поглощением там ближней УФ радиации. Системы цир-
куляции воздуха в тропосфере и стратосфере различаются. В
то время, как для тропосферы характерными являются вер-
тикальные перемещения воздушных масс, для стратосферы
типичны горизонтальные перемещения. Стратосфера закан-
чивается стратопаузой на высоте ~ 50 км, выше которой на-
чинается мезосфера (средняя атмосфера), где происходит
много сложных фотохимических процессов и температура
падает. Подобно тропосфере в мезосфере имеют место
значительные сезонные изменения температуры на высо-
ких широтах. На высотах ~ 80 км расположена мезопауза.
Уравнение Клапейрона (Ш) хорошо выполняется вплоть до
этой области, и имеет место известная барометрическая
формула, описывающая изменение давления газа с высо-
той. Далее барометрическая формула перестает работать,
так как начинает заметно меняться средний молекулярный
вес атмосферы в связи с фотодиссоциацией и фотоиониза-
цией.

Выше расположена термосфера, где температура начи-
нает быстро расти (см. рис. 57, б). В этой области теплота,

1 Высота тропосферы изменяется от 6-8 км на полюсах до ~ 17 км на
экваторе.
возникающая за счет процессов фотодиссоциации и фотоио-
низации, происходящих главным образом за счет УФ излуче-
ния Солнца, почти не имеет возможности рассеиваться, так
как частота столкновений очень мала, порядка одного в се-
кунду на высоте 300 км, а средняя длина пробега относи-
тельно столкновений очень велика ~1 км. Характерным про-
цессом является диссоциация молекул кислорода и азота. На
этих высотах важна диффузия, а температурный коэффици-
ент уменьшается на высоте ~ 300 км в термопаузе (см. рис.
57, б). Параметры атмосферы все сильнее зависят от солнеч-
ной активности (рис. 58).

Рис. 58. Изменения температуры термосфе-
ры: 1 — ночная температура во время минимума
солнечной активности; 2 — «стандартная» атмо-
сфера; 3 — дневная температура во время мак-
симума солнечной активности

Область выше ~ 500 км называется экзосферой. В этой
области атомарный кислород, гелий, а затем водород, сменяя
друг друга, являются главными компонентами. Частота
столкновений уменьшается примерно до одного в минуту.
Траектории частиц становятся баллистическими1. Скорости
заметной части атомов водорода и небольшой части атомов
гелия превышают вторую космическую скорость, а длина
свободного пробега — больше масштабного фактора.

Экзосфера— верхняя оболочка атмосферы. Верхняя ее
граница четко не определена, так как ее положение и свой-
ства самой экзосферы зависят от времени дня и изменяются

1 Понятие газа как совокупности хаотически движущихся н непрерыв-
но сталкивающихся частиц теряет прн таких условиях смысл.
с солнечной активностью больше, чем для нижележащих сло-
ев. Положение границы определяется обычно исходя из зада-
чи, которая рассматривается. Так, если ученых интересует
только нейтральный компонент атмосферы, то в качестве
границы часто берут 1000-1500 км. Основанием для этого
является то, что в этой области средняя длина свободного
пробега до столкновения огромна и достигает ~ 1000 км. Га-
зовые законы выше ~ 1000 км не применимы. Молекулы дви-
жутся по баллистическим траекториям, а водород и гелий
интенсивно уходят в космос.

При рассмотрении прикладных задач, например при
анализе изменений погодных условий, атмосферу иногда де-
лят на нижнюю, которая включает тропосферу и стратосфе-
ру, на среднюю— мезосферу и верхнюю, начинающуюся с
термосферы.

Часто атмосферу делят на оболочки исходя из однородно-
сти ее частей. В общем случае под неоднородностями пони-
маются любые флуктуации структурных параметров атмо-
сферы. Основными причинами неоднородностей являются
ветры и связанная с ними турбулентность (вихревые движе-
ния, например циклоны и антициклоны). Всем хорошо из-
вестным примером неоднородностей являются облака. Тур-
булентности существенны на высотах менее 100 км.

На однородность атмосферы влияют также происходящие
в ней волновые и динамические процессы. Волны плотности
генерируются и распространяются за счет приливных процес-
сов в результате воздействия Луны, Солнца и планет на атмо-
сферу, которые аналогичны приливам в Мировом океане; за
счет разрядов молний и вторжений метеоритов; за счет сейс-
мических процессов и таких антропогенных воздействий, как
промышленные взрывы, полеты летательных аппаратов... Пе-
риоды волновых процессов изменяются от минуты до суток.

Неоднородности не только постоянно генерируются, но и
исчезают за счет динамических процессов. Примером таких
процессов являются конвекция — движение газа за счет раз-
ности температур; турбулентность — вихревые движения;
ветры — достаточно упорядоченное движение газа; диффу-
зия, термодиффузия и теплопроводность.

Подход к стратификации атмосферы не по температур-
ному признаку, а по однородности приводит к делению ее на
гомосферу, гетеросферу и экзосферу. Вышеупомянутая табл.
П13 определяет состав тропосферы, стратосферы и мезосфе-
ры, которые вместе и образуют гомосферу, т. е. область ат-
мосферы, однородную по составу. Конечно, в стратосфере
УФ радиация Солнца приводит к образованию озонового
слоя, но относительное количество озона в нем ничтожно.

В гомосфере компоненты хорошо перемешаны, столкно-
вения часты, а средняя длина пробега частиц мала. Уравне-
ние состояния идеального газа и барометрическая формула
выполняются, и относительные доли основных компонентов
(N2, О2, Аг, СОг) неизменны. В гомосфере, конечно, протека-
ют различные фотохимические процессы, но в химических
процессах задействовано очень мало вещества. Хотя темпе-
ратура в этой области меняется, но относительно незначи-
тельно (рис. 57, б), поэтому иногда ее рассматривают даже
как приблизительно постоянную.

Выше находится гетеросфера. Ее верхняя граница про-
стирается до высоты порядка 500 км и зависит от солнечной
активности. По сути дела — это термосфера и здесь поглоща-
ется значительная часть солнечного УФ и рентгеновского из-
лучений. Поэтому выше - 100 км заметную роль начинают
играть три связанных с ними эффекта. Во-первых, происхо-
дит отмеченное ранее резкое возрастание температуры,
вплоть до высоты - 300 км. Такой температурный профиль
подавляет турбулентные движения, которые приводили к пе-
ремешиванию воздуха на меньших высотах, что обеспечива-
ло однородность состава атмосферы. Во-вторых, все большую
роль начинает играть фотодиссоциация, наведенная солнеч-
ной радиацией:

hv + О2 —♦ О + О и hv + N2 -+ N + N.

Здесь существенной оказывается реакция взаимодейст-
вия атомарного азота с молекулярным кислородом, в резуль-
тате которой образуется атомарный кислород N + Ог -> О +
NO. Интенсивное преобразование молекулярного кислорода в
атомарный приводит к тому, что начиная с высоты -120 км
п[О] > п[Ог], где п[Х] — количество частиц компонента в еди-
нице объема. Таким образом, фотохимические реакции и
диффузионное разделение компонентов приводят к посте-
пенному уменьшению среднего молекулярного веса с возрас-
танием высоты. Так как в этой области уже началось грави-
тационное разделение компонентов, а частота столкновений
становится все меньше, то атомарный кислород, начиная с
высоты ~ 200 км, становится преобладающим нейтральным
компонентом атмосферы (рис. 59, а).

На больших высотах существенным компонентом стано-
вится гелий, поступающий в атмосферу в результате
о-распада тяжелых элементов. Начиная с ~ 1000 км главным
Рис. 59. Типичный высотный профиль атмосферы
для дневного времени н минимума солнечной актив-
ности: п— количество атомов или нонов в единице
объема, а— плотность главных нейтральных компо-
нентов; б— плотность основных ионов

компонентом становится водород, образовавшийся в основ-
ном в результате диссоциации водяных паров и метана в
нижележащих слоях атмосферы1. Атмосфера с заметным со-
держанием атомарного водорода простирается на расстоя-
ние многих R& в области ближней магнитосферы1 2 и называ-
ется геокороной3. Эта область также химически гетерогенна.

Имеется и третий, причем очень важный, результат взаи-
модействия УФ и рентгеновского излучения Солнца с высоко-

1 Во время максимума солнечной активности атомарный кислород ста-
новится доминирующим компонентом до высоты 1000 км, а между 1100 и
5000 км может преобладать гелий. Так как термосфера очень сильно нагре-
вается, гравитация не может удержать там водород.

2 Магнитосфера — область околопланетного пространства, физические
свойства, размеры и форма которой определяются магнитным полем плане-
ты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц от Солнца. Маг-
нитосферы всегда сильно вытянуты в сторону, противоположную направле-
нию на Солнце. Со стороны Солнца поток плазмы солнечного ветра сжимает
магнитное поле планеты, на ночной стороне силовые линии магнитного поля
вытягиваются в протяженный магнитный хвост. В магнитосфере заряжен-
ные частицы имеют энергию, большую, чем та, которая должна соответство-
вать тепловым скоростям, н двигаются вдоль силовых линий магнитного
поля. Магнитосфера Юпитера — самая мощная. Ее большие размеры н вы-
сокая скорость вращения Юпитера приводят к тому, что она оказывается
сплюснутой. Значительной магнитосферой окружен н Сатурн.

3 Изучение ночного свечения неба в УФ-излучении показало, что Земля
окружена облаком водорода, которое испускает излучение Н La (А - 121,6
нм). Это дало основание использовать термин геокорона для обозначения
внешней области экзосферы, так как линия водорода La является также ос-
новной спектральной линией солнечной короны.
лежащими слоями атмосферы— это ионизация атмосферы.
Первично ионизованные атомы и молекулы могут терять или
захватывать электроны, вступать в химические реакции и пре-
вращаться в другие ионы или в радикалы. Процесс ионизации
происходит на всех высотах в атмосфере. Однако до тропосфе-
ры доходит только малая часть ионизирующих излучений, при-
ходящих на верхнюю границу атмосферы. Более того, плот-
ность вещества здесь значительная и скорость рекомбинации
очень велика. Поэтому плотность ионов пренебрежимо мала по
сравнению с плотностью нейтрального компонента.

Процессы ионизации протекают везде, где есть излучение
с энергией, большей энергии связи электронов в атомах и
молекулах, образующих данную среду. Пусть атмосфера со-
стоит из частиц одного сорта, концентрация которых п
уменьшается с высотой h (рис. 60), а от Солнца приходит мо-

Рис. 60. Схема образования ноно-	/X J

сферного слоя: 1 — концентрация атомов	/

или молекул, составляющих атмосферу;	' —

2—	поток солнечного излучения, 3— кон-
центрация заряженных частиц	Л

ноэнергетическое электромагнитное излучение, способное
ионизовать частицы, составляющие атмосферу. Интенсив-
ность этого излучения будет убывать за счет поглощения при
проникновении его вглубь атмосферы. В результате действия
этих двух факторов в атмосфере возникнет область, где кон-
центрация электронов и положительно заряженных ионов
будет максимальной (см. рис. 60, 3).

Конечно, атмосфера состоит из многих компонентов, а
солнечное излучение имеет сложную природу, поэтому в ат-
мосфере будет наблюдаться несколько слоев с повышенной
концентрацией различных ионов1 (см. рис. 59, б). Одновре-

1 Общая ионизирующая способность космических лучей составляет все-
го - 10-* ионизирующей способности ультрафиолетового излучения. Ионизи-
рующее действие ультрафиолетового излучения всех звезд оценивается в
10-3 действия солнечного излучения. Метеорная ионизация нерегулярна и
незначительна, но во время метеорных ливней наблюдается рост электрон-
ной концентрации на высотах 100 км (слой Е, табл. 13).
менно с процессом ионизации в ионосфере происходит об-
ратный процесс— рекомбинация электронов с положитель-
ными ионами и образование нейтральных атомов и молекул.
В конечном итоге формируются области, ионные компоненты
которых отражают изменения, происходящие с нейтральны-
ми компонентами атмосферы, составляющими подавляющую
ее часть (табл. 13). Суммарная картина крайне чувствительна
к интенсивности и спектру солнечного излучения.

Ионизированные слои, перечисленные в таблице, обра-
зуются, начиная с мезосферы, в результате селективной фо-
тоионизации рентгеновским и УФ излучением. В верхней ат-
мосфере, т. е. выше 80 км, заметно повышается содержание
заряженных частиц, таких, как О+, О2, О-, Oj, NO+, N2,
COg, Не+, Н+. Они возникают в результате процесса первич-
ной фотоионизации, происходящей под воздействием той
далекой УФ и рентгеновской радиации, которая не поглоти-
лась в более высоко лежащих слоях атмосферы. Примером
может служить: hv + N2 —» N2 + е.

Такая первичная ионизация часто сопровождается вто-
ричными химическими реакциями: N2 + О —> NO+ + N.

Таблица 13. Ионосферные слон на средних широтах в дневное время

Слой	Высо- ты, км	Основные компоненты	Ионизирующее излучение
D	70-90	NO*, О2*, Na*	Н U (X - 121,6 нм), Космическое излучение, Рентгеновское излучение (<1 нм)
Е	95-140	Оа*, NO*	Рентгеновское излучение (- 1—10 нм), УФ излучение (~ 80-102,7 нм), Н Ц (X - 102,6 нм)
F1	140-  200	О*, NO*	Hell (X = 30,4 нм),  УФ излучение (~ 10-80 нм)
F2	200- 400	О*, NO*, Оа*	Hell (А - 30,4 нм), УФ излучение (~ 10-80 нм)
Верхняя ионосфера	>400	О*	Ионы в основном поступают снизу
Плазмосфера	> 1200	Н*	— « —« —« —« —

Ион NO+ играет особенно большую роль в ионосфере. Ио-
носферная плазма обычно рассматривается как нейтральная,
т. е. содержит равную концентрацию электронов и ионов,
обладающих энергией порядка 0,1 эВ1. Плотность плазмы

1 Энергии 0,1 эВ соответствует температура 1100 К.
меняется с высотой и имеет максимальное значение пример-
но 1012 м~3 на высоте около 300 км на широте магнитного
экватора. Параметры, характеризующие эту плазму, очень
сильно меняются от дня ко дню сезона и от солнечной актив-
ности. Движение частиц плазмы в значительной степени оп-
ределяется магнитным полем Земли, и ионосферная плазма
вращается совместно с этим полем.

Самым нижним является С-слой, образующийся на высо-
тах 50—75 км, который даже не включен в табл. 13, так как
он очень слабый, наблюдается только в дневное время и как
проводник влияния солнечных излучений на Землю высту-
пать не может. Также и в расположенной выше D-области1
ионная плотность еще настолько мала (~ 109 м-3 днем и ~ 10
м~3 ночью), что она не изображена на рис. 59. Ионизация
здесь обусловлена самой проникающей частью солнечного
коротковолнового излучения, а частота столкновений и, сле-
довательно, скорость рекомбинации, велика. В этой области
протекают различные фотохимические реакции, и в качестве
отрицательно заряженных частиц преобладают отрицательно
заряженные ионы, а не электроны. Ночью этот слой сущест-
вует за счет корпускулярного излучения (высыпания частиц).

Максимум Е-слоя находится на высоте -110 км. Он ста-
билен, в нем протекают достаточно большие токи, и сказы-
вается влияние геомагнитного поля. В этой области сущест-
венны процессы диссоциативной рекомбинации, например:

NO++ е N* + О* и Оа + е О* + О*,

где N* и О* обозначают возбужденные атомы.

Максимум плотности слоя Fi находится на высоте - 200 км,
и в ночное время слой пропадает1 2. Основными компонентами
первичной ионизации в этой области являются ионы N2+ и О+. В
результате сложных химических процессов ионный состав из-
меняется, и наиболее распространенными оказываются ионы
NO+, за которыми следуют ионы О+.

Наибольшая концентрация ионов днем в Рг-слое наблю-
дается на высоте - 300 км. В ночное время он расположен

1 Излучение Н La не в состоянии ионизовать основные компоненты ат-
мосферы, однако присутствие молекул NO с концентрацией - 10-® достаточ-
но, чтобы их ионизация приводила к наблюдаемому D-слою.

2 Основной вклад в ионизационный эффект здесь вносят рентгеновское
излучение (1-10 нм), несущее поток энергии ~ 105 Дж'М-’ с'1, и резонансное
излучение гелия, поток которого составляет - 5-104 Дж-м^-ст1.
несколько выше. Здесь ярко выражено влияние геомагнитно-
го поля и различных электродинамических процессов.

На высотах до начала Ег-слоя частота столкновений доста-
точна для того, чтобы баланс между фотохимическими и ион-
ными процессами определял квазиравновесную структуру ка-
ждого слоя. Выше, в связи с тем, что длина свободного пробега
сильно возрастает, диффузия становится очень существенным
фактором и начинает определять ионную и электронную плот-
ности. Именно конкуренция между диффузией и рекомбинаци-
ей и приводит к появлению максимума ионной концентрации,
соответствующему Fa-слою. На больших высотах диффузия яв-
ляется доминирующим процессом.

В верхнюю ионосферу, лежащую выше слоя Fa, ионы О+ и
Н+ поступают большей частью снизу, и их плотность непрерыв-
но убывает с высотой. Силовые линии геомагнитного поля при
широтах менее 60° замкнутые и выходят на поверхность Земли
в некоторой точке южного полушария, а входят в некоторой
точке северного полушария. Выше 1000 км они препятствуют
уходу ионов водорода из верхней ионосферы. Область выше
1200 км и ниже 60° геомагнитной широты, магнитные линии
которой удерживают эти захваченные ионы, называется плаз-
мосферой. На ее нижней границе концентрации ионов атомар-
ного кислорода и протонов примерно равны.

Достигнув этой самой внешней для ионосферы области,
мы обнаруживаем, что эта область является также составной
частью другой гигантской области — магнитосферы. Сравне-
ние данных, представленных на рис. 59, а и 59, б, показыва-
ет, что ионосфера всегда является очень слабо ионизирован-
ной плазмой (разбавленной плазмой). Плотность нейтральной
водородной геокороны превосходит плотность магнитосфер-
ной плазмы на расстоянии порядка 10 Р®, куда входит почти
вся ближняя к Земле часть магнитосферы.

Можно ожидать, что ионосфера должна служить одним
из источников низкотемпературной водородной плазмы
(~ 1 эВ) для находящейся выше магнитосферы — сложной,
структурированной, зависящей от времени плазменной сис-
темы, которая сильно взаимодействует с солнечным ветром
на ее внешней границе — магнитопаузе и с ионосферой — на
ее нижней границе. Причиной возникновения магнитосферы
Земли является взаимодействие собственного магнитного по-
ля Земли с магнитным полем и электрическими токами, по-
рождаемыми солнечным ветром.
6.6.	МАГНИТОСФЕРА КАК СРЕДА,
ЧЕРЕЗ КОТОРУЮ ПЕРЕДАЮТСЯ
ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ

За последние 50 лет наши представления об окружаю-
щем Землю пространстве претерпели радикальные измене-
ния. К началу космических исследований считалось, что ат-
мосфера простирается на несколько сот километров, а маг-
нитное поле Земли дипольное и его можно аппроксимировать
полем намагниченного стержня. Оно простирается на сотни
тысяч километров и постепенно исчезает в космическом про-
странстве (рис. 61, а). Предполагалось, что в момент вспыш-
ки Солнце испускает плазменное облако, которое сжимает
магнитное поле Земли, увеличивая напряженность поля у ее
поверхности. Все это сопровождается полярными сияниями
и магнитными бурями. Вопрос о взаимосвязи солнечных и
земных явлений обсуждался в весьма общих и часто «туман-
ных» терминах. Было известно, что космические лучи прихо-
дят на Землю со всех сторон и поэтому считалось, что они не
имеют никакого отношения к Солнцу, а излучение Солнца
практически ограничивалось видимым диапазоном.

Рис. 61. Упрощенная схема околоземного маг-
нитного поля: а — по состоянию на 50-е гг. нашего
столетия, б — начиная с середины 60-х гг.; 1 — сол-
нечный ветер; 2 — ударная волна; 3 — магнито-
переходная область; 4 — магнитосфера; 5 — радиа-
ционный пояс; 6 — нейтральный слой

Сейчас установлено, что наблюдаемому вблизи поверхности
Земли магнитному полю, действительно, можно сопоставить
магнитный диполь1, находящийся внутри Земли. Магнитные
поля на поверхности Земли— В составляют ~ 5-10-5 Тл и убы-
вают с высотой, достигая величины В ~ 100 нТл на расстоянии
70-80 тыс. км в направлении на Солнце. Дипольный характер
поля сохраняется до высоты ~ 15 тыс. км от Земли. При даль-
нейшем увеличении расстояния поле становится все более ис-
каженным. Геомагнитное поле, по-видимому, генерируется и
поддерживается электрическими токами, текущими внутри
жидкого ядра Земли, но механизм происхождения магнитных
полей планет до настоящего времени остается не до конца по-
нятным. На расстоянии 1 а. е. от Солнца ММП составляет ~ 1-
ЮнТл.

Ось геомагнитного диполя Земли повернута на угол ~ 11,5°
относительно оси вращения Земли. В отличие от последней она
не проходит через центр Земли, а сдвинута от него на расстоя-
ние ~ 500 км. Конец геомагнитного диполя, ближайший к гео-
графическому северному полюсу, расположен в Гренландии
(географические координаты: 78,5° с. ш., 291° з. д.). Это юж-
ный магнитный полюс Земли (северный полюс стрелки компаса
направлен к нему). Из-за такого поворота и смещения
геомагнитный экватор Земли, ее географический экватор и
эклиптика образуют три разные плоскости.

Напряженность и направление геомагнитного поля непре-
рывно изменяются. В настоящее время напряженность поля
уменьшается и, вероятно, через ~ 2000 лет поле сменит свое
направление. Магнитное поле на поверхности Земли складыва-
ется из геомагнитного поля и ионосферных и магнитосферных
токов, обусловленных солнечной активностью. Возрастание
солнечной активности приводит к «геомагнитным бурям»1 2, ко-

1 Всем известным примером магнитного диполя является постоянный
магнит в виде бруска.

2 Магнитосферной бурей называется возмущение геомагнитного поля,
охватывающее всю магнитосферу и длящееся несколько суток, приводящее
в низких широтах на поверхности Земли к уменьшению магнитного поля на
50 нТл и больше. Буря возникает в результате взаимодействия магнитосфе-
ры с солнечным ветром. Типичная магнитосферная буря состоит из трех
фаз: начальной (после сжатия магнитосферы ударной волной), главной фа-
зы, обусловленной взаимодействием магнитосферы с плазменным облаком,
породившим ударную волну, и фазы восстановления. Так как активные об-
ласти могут существовать на Солнце более 27 дней, то н связанная с ними
геомагнитная буря также может повториться снова через двадцать семь су-
ток, составляющих полный оборот Солнца вокруг своей оси относительно
Земли. Большие геомагнитные бури связаны также и с возмущениями в ио-
носфере, которые вызывают временное прекращение приема радио- и теле-
визионных передач, так как и бури, и возмущения в ионосфере определяют-
ся, по существу, одними и теми же солнечными явлениями.
торые могут продолжаться несколько дней. Приближающийся к
Земле солнечный ветер состоит в основном из протонов и элек-
тронов (концентрация частиц ~ 107 м~3, Т— 105 К), двигающих-
ся со скоростью несколько сотен километров в секунду. Сило-
вые линии магнитного поля «вморожены» в плазму солнечного
ветра. Если поток ионов отклоняется, то силовые линии также
деформируются, и каждая продолжает «тянуть на себе» те же
самые частички плазмы, как и до этого. В окрестности Земли,
где напряженность магнитного поля Земли больше напряжен-
ности ММП, солнечный ветер, будучи хорошим проводником,
не может проникнуть в геомагнитное поле.

Из-за вращения Солнца силовые линии ММП имеют вид
идущих от Солнца раскручивающихся спиралей, а само поле
имеет секторную структуру: в одних секторах оно направле-
но от Солнца, в других — к Солнцу (рис. 62). Обычно наблю-
дается четыре сектора, различающихся полярностью маг-
нитного поля. Регулярность поля может нарушаться из-за
развития различных видов плазменной неустойчивости, про-
хождения ударных волн и распространения потоков быстрых
частиц, рожденных солнечными вспышками. Области Солн-
ца в районе 50’ его западной долготы оказываются наиболее
прямо связанными с Землей силовыми линиями ММП.

Рис. 62. Межпланетное магнитное поле,
имеющее форму спирали Архимеда (в случае
спокойного Солнца); СКЛ и ГКЛ — солнечные
и галактические космические лучи соответст-
венно
Как видно из рис. 61, б, солнечный ветер создает стоячую
ударную волну, которая напоминает ударную волну, или тот
звуковой удар, который сопровождает самолет, летящий со
сверхзвуковой скоростью. Поток плазмы солнечного ветра
сжимает геомагнитное поле. Ударная волна отходит назад и
между фронтом ударной волны и магнитопаузой1 образуется
переходная область шириной ~ 2-4 Е®, где температура плазмы
оказывается повышенной по сравнению с невозмущенным
солнечным ветром. Магнитные линии земного поля оказывают-
ся заключенными в пулеобразную полость, образовавшуюся
внутри ММП1 2.

Рассмотрим теперь более подробно схему строения маг-
нитосферы (рис. 63). Передний ее край — магнитопауза —
устанавливается на расстоянии ~ 10,5 2?® от Земли. Диаметр
магнитосферы в районе Земли составляет 25-?-30 R&, а в даль-
ней части хвоста магнитосферы ~ 55 7?®. Напомним, что
среднее расстояние до Луны ~ 60 Е®. Изменение давления
солнечного ветра приводит к тому, что передняя граница
магнитосферы иногда уходит внутрь за геосинхронную орби-
ту, находящуюся от Земли на расстоянии ~ 6,6 Е®. Как только
солнечный ветер проходит через фронт ударной волны, его
скорость резко падает, часть его кинетической энергии пре-
вращается в теплоту, и при этом относительное давление
магнитного поля В2/8л резко уменьшается. Концентрация
плазмы внутри магнито-переходной области увеличивается в
3-10 раз, и примерно так же увеличивается магнитное поле.
Позднее скорость ветра возрастает снова, и на расстоянии
100-200 В® она достигает своей исходной величины или пре-
восходит ее, и ветер проникает в хвост магнитосферы (как и
где — это еще изучается).

Если на дневной стороне линии геомагнитного поля сжи-
маются солнечным ветром внутрь, то на ночной стороне на-
блюдается обратная картина. Здесь силовые линии геомаг-

1 Магнитопауза — пограничный слой между магнитосферой и магнито-
переходной областью (солнечным ветром, проникшим в эту область). Толщи-
на магнитопаузы составляет ~ несколько сот километров, и на протяжении
этого слоя магнитное поле и плазменные свойства непрерывно изменяются.

2 Положение границы между солнечным ветром и геомагнитным полем
(магнитопаузой) определяется из баланса давления: р + ЕР/бп - const. Так
как солнечный ветер является хорошим проводником, то он вытесняет перед
собой геомагнитное поле до тех пор, пока давление р солнечного ветра не
уравновесится магнитным давлением, равным Б2/8 л.
Рис. 63. Строение земной магнитосферы в плоскости,
проходящей через магнитные полюсы Земли и линию
Земля — Солнце1

нитного поля вытягиваются в протяженный магнитный
хвост длиной в сотни R&. Основной особенностью хвоста яв-
ляются два противоположно направленных, почти парал-
лельных потока магнитных линий, протянувшихся от Земли
на большие расстояния. Магнитные линии северной доли
хвоста соединяются вблизи северного магнитного полюса
Земли и направлены к Земле, а в южном — от нее. Между
ними в плоскости, параллельной плоскости эклиптики, нахо-
дится достаточно плотный слой плазмы.

Таким образом, хвост состоит из двух долей, северной и
южной, разделенных плазменным слоем. Внутри плазменного
слоя напряженность поля близка к нулю. Часто говорят, что

1 Зоной авроральной радиации (авроральным овалом) называются об-
ласти вокруг магнитных полюсов, где наиболее часто наблюдаются полярные
сияния, т. е. свечение, вызываемое взаимодействием заряженных частиц (в
основном электронов с энергиями 1-10 кэВ) с атомами в верхних слоях ат-
мосферы на высотах ~ 100 км. При этом происходит и генерация волновых
возмущений в верхней нейтральной атмосфере с последующим распростра-
нением на средние и низкие широты.
противоположно направленные поля в геомагнитном хвосте
разделены нейтральным слоем. Чтобы произвести такую де-
формацию магнитного поля на ночной стороне, требуются
дополнительные электрические токи. При толщине плазмен-
ного слоя порядка 2-8 R& электрический ток достигает вели-
чины 200 000 А/Е®. Он обусловлен плазмой: ~ 5-105 ионов-м-3
с энергиями ~ 1—5 кэВ и электронов с энергиями ~ 1 кэВ. В
северной и южной долях хвоста плазма очень разряженная
~ 104 ионов-м-3. Как только ток достигает магнитопаузы, он
разделяется на две части, которые замыкаются вокруг долей
хвоста: вокруг верхней и под нижней частями хвоста.

Среди всех частей магнитосферы плазменный слой явля-
ется наиболее динамическим. Если проследить пересекаю-
щие его силовые линии магнитного поля к Земле, то можно
обнаружить, что они приходят в высокие широты, в квази-
круговые области, которые часто украшены огнями поляр-
ных сияний1. Эти области называют полярными овалами.

Если частицы плазмы испытывают столкновения, или ес-
ли плазма течет через область, где интенсивность поля падает
до нуля, то связь между частицами плазмы и силовыми ли-
ниями может иногда разрываться. Если аккуратно нарисо-
вать конфигурацию силовых линий внутри магнитосферы,
которая будет представлять все линии магнитного поля Зем-
ли, то мы обнаружим две области, известные как каспы. Это
области внутри высокоширотной дневной магнитосферы, ко-
торые отделяют силовые линии, замыкающиеся через эква-
ториальную плоскость в дневном секторе магнитосферы, от
силовых линий, которые уходят в хвост. Магнитное поле в
пределах полярного каспа не является препятствием для
магнитосферной плазмы— плазмы солнечного ветра, затор-
моженной и нагретой прохождением через область ударной
волны. Поэтому касп заполняется магнитосферной плазмой,
которая оказывается в воронкообразной области и достигает
затем атмосферы, где может вызывать полярное сияние.

Внутренняя часть магнитосферы — плазмосфера (похо-
жая на тороид и окрашенная в черный цвет область на рис.
63) заполнена в значительной мере ионами ионосферного
происхождения. Частицы, образующие плазмосферу, участ-
вуют в суточном вращении Земли, и их концентрация со-
ставляет ~ 109-1010 м~3. Плазмосфера окружена плазмопау-

1 Полярные сияния связаны с солнечным ветром как через плазменный
слой, так и более опосредованно.
зой, максимальное расстояние которой от Земли в экватори-
альной плоскости ~ 6 7?®. На широтах выше плазмопаузы су-
ществует постоянный поток плазмы из ионосферы в магни-
тосферу — полярный ветер.

Магнитосфера представляет собой динамическое образо-
вание. При изменении давления солнечного ветра она как бы
дышит — изменяется в размерах и форме. При повороте
ММП к югу магнитосфера оказывается «открытой». Силовые
линии ММП и геомагнитного поля пересоединяются на днев-
ной стороне и уносятся солнечным ветром на ночную, увели-
чивая магнитный поток в хвосте магнитосферы и утоньшая
плазменный слой. Спустя ~ 1 ч после поворота ММП к югу
происходит взрывная фаза суббури1, сопровождающаяся
резким увеличением потока вторгающихся в атмосферу час-
тиц, активизацией полярных сияний, усилением ионосфер-
ных токов. Если южный компонент ММП сохраняется не-
сколько часов или более, развивается магнитосферная буря,
характеризующаяся значительным понижением магнитного
поля внутри магнитосферы, при этом с интервалом ~ 3 ч
идут одна за другой суббури.

В хвосте магнитосферы наблюдаются не очень интенсив-
ные потоки протонов, движущихся к Земле со скоростью не-
сколько сот километров в секунду. Таким образом, в атмо-
сферу частицы солнечного ветра могут проникать как непо-
средственно, через касп, так и опосредованно, как бы с про-
тивоположной стороны через магнитосферный хвост. При
этом электроны с энергиями 1-10 кэВ вызывают полярные
сияния.

Между магнитосферой и находящейся внутри нее ионо-
сферой происходит непрерывный обмен веществом. Ионо-
сферу в этом отношении можно рассматривать как хорошо
структурированный пространственный источник протонов и
тяжелых ионов (в основном ионов кислорода) с энергиями от
1-10 эВ. Электрическое поле, обусловленное вращением на-
магниченной Земли, заставляет ионосферу и плазмосферу
вращаться почти синхронно с Землей, приводя к перемеще-
нию ионизированного компонента с дневной стороны на
ночную. Одновременно приходит в движение и нейтральный
компонент атмосферы. Кроме того, часть магнитосферной

1 Суббуря представляет собой явление длительностью 1-3 ч, сопровож-
дающееся повышенной диссипацией энергии в магнитосфере н ионосфере.
В суббуре отчетливо проявляются три фазы: подготовительная, активная
(или взрывная) и фаза восстановления.
плазмы высыпается в атмосферу, сообщая ей дополнитель-
ную энергию, изменяя ее проводимость и вызывая в атмо-
сфере такие явления, как полярные сияния.

Магнитосферу вместе с ионосферой можно рассматри-
вать и как магнитосферно-ионосферный электрический кон-
тур. Общие закономерности, определяющие процессы в этом
контуре, достаточно хорошо изучены. Внезапные изменения
динамического давления солнечного ветра, обусловленные
вспышками на Солнце, приводят к скачкообразному измене-
нию горизонтальной составляющей магнитного поля на по-
верхности Земли и к другим эффектам. Об одном из них —
геомагнитных бурях — мы уже упоминали. Генерируемая при
сжатии или расширении магнитосферы магнитозвуковая
волна распространяется внутри магнитосферы с дневной
стороны на ночную со скоростью 800-1300 км-с-1.

Начальная фаза бури характеризуется относительно спо-
койным состоянием магнитосферы, которая «привыкает» к
изменившимся параметрам солнечного ветра после прохож-
дения ударной волны. Главная фаза бури наступает тогда,
когда магнитное поле солнечного ветра поворачивает к юту.
В магнитосфере возникает электрическое поле, плазма дви-
жется к Земле и разогревается до температур 107 К. Горячая
плазма инжектируется в высокоширотные районы, возмущая
полярную ионосферу, и в радиационные пояса. Средняя дли-
тельность главной фазы ~ 5-10 ч. В это время имеет место
последовательность из многих взрывных событий, и чем ча-
ще и интенсивнее суббури, тем интенсивнее кольцевой ток и
его магнитный эффект. В результате происходит высыпание
частиц в ионосферу, разогрев плазмы, а также возникают
другие процессы переноса и интенсивные токовые системы.
В период главной фазы бури происходят существенные из-
менения нейтрального состава атмосферы в высоких широ-
тах и ионосферы средних широт.

В геомагнитном поле могут возникать квазисинусоидаль-
ные колебания (геомагнитные пульсации) с периодами от 0,2
с до ~10 мин. Они делятся на два класса: непрерывные, в ко-
торых прослеживаются десятки и сотни периодов, и иррегу-
лярные. Амплитуда пульсаций геомагнитного поля на земной
поверхности порядка 0,01-50 нТл. Волны могут генериро-
ваться либо параметрически — за счет изменения какого-
либо параметра плазмы, либо за счет неустойчивости.

Движение ионов и электронов в космическом пространстве
определяется в значительной мере магнитными полями. В од-
нородном постоянном магнитном поле заряженная частица
движется по винтовой линии (спиралеобразной траектории)1.
Это д вижение можно рассматривать как комбинацию кругово-
го движения вокруг силовой линии и прямолинейного движе-
ния вдоль или поперек нее.

При движении вокруг силовых линий диполя такое дви-
жение должно бы приводить к попаданию частиц в атмо-
сферу и их поглощению. Однако продольный компонент
движения замедляется по мере того, как частица попадает в
область более сильного поля1 2 при приближении к Земле. Час-
тица может даже остановиться и развернуться (в этом случае
говорят о магнитном зеркале).

Так как магнитное поле усиливается при приближении к
поверхности Земли, то частица может отражаться от одного
полушария к другому. Это приводит к тому, что заряженные
электрические частицы, двигаясь в дипольном магнитном
поле Земли, могут захватываться этим полем и длительное
время двигаться вокруг Земли в радиационных поясах3 (рис.
64).

Рис. 64. Радиацион-
ный пояс Земли и движе-
ние в нем заряженных
частиц

Дрейф положительно заряженных частиц от одной сило-
вой линии к другой приводит к их вращению вокруг Земли.
Электроны также дрейфуют, но в противоположном направ-
лении. При любом из этих двух дрейфов движение электри-
ческих зарядов эквивалентно электрическому току, текущему
вокруг Земли в западном направлении. Этот кольцевой ток

1 Подобное описание оказывается полезным и в случае медленного из-
менения поля в пространстве и времени: движение все еще можно считать
суперпозицией спиралеобразного движения вокруг силовой линии и, вообще
говоря, дрейфа поперек силовых линий.

2 Вспомним, что кусочек железа, напротив, всегда притягивается туда,
где поле сильнее.

3 Чтобы понять природу этих поясов, в 1958 и 1962 гг. в космическом
пространстве были взорваны ядерные бомбы с целью создать искусственные
пояса заряженных частиц. Взрыв 1962 г. создал радиационный пояс, кото-
рый существовал в течение нескольких лет.
создает магнитное поле, которое слегка ослабляет поле над
земной поверхностью. Во время магнитной бури этот кольце-
вой ток получает много дополнительных ионов и электронов
из ночного хвоста магнитосферы, и его действие возрастает,
хотя на поверхности Земли поле, им обусловленное, редко
превосходит 1% от полной величины магнитного поля.

Таким образом, радиационный пояс Земли — это область
магнитосферы, в которой магнитное поле Земли удерживает
заряженные частицы: электроны, протоны, а-частицы и бо-
лее тяжелые ядра. Энергии этих частиц составляют от десят-
ков кэВ до десятков МэВ. Протон с энергией ~100 МэВ со-
вершает движение по спиральной траектории вдоль силовой
линии геомагнитного поля из Северного полушария в Южное
(см. рис. 64) за время ~ 0,3 с. Протон в геомагнитной ловуш-
ке может находиться до 100 лет (~ 3-109 с), и за это время он
может совершить до 1010 колебаний.

Раньше обычно вьвделяли внутренний и внешний радиа-
ционные пояса Земли и, кроме того, говорили о поясе прото-
нов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зоне квазизахва-
та частиц. В настоящее время существование внутреннего
пояса не вызывает сомнений, а все остальное часто рассмат-
ривается как кольцевой ток, который может почти полно-
стью исчезать во время минимумов солнечной активности.

Внутренний радиационный пояс обязан своим существо-
ванием высокой стабильности орбит, подобных изображен-
ной на рис. 64. Максимум потока находится на высоте по-
рядка 1000 км и обусловлен протонами больших энергий —
продуктами взаимодействия космических лучей с атомами
атмосферы1. Аккумуляция частиц происходит медленно, но
так как захват частиц здесь очень стабильный, то достигает-
ся достаточно большой поток частиц. Внутренний пояс со-
держит протоны в диапазоне энергий 10-100 МэВ, которые
обладают большой проникающей способностью. Поэтому
принимаются все меры, чтобы космонавты не находились в
его пределах. Максимум плотности потока протонов с энер-
гией Е > 20 МэВ составляет здесь в период минимума сол-
нечной активности ~108 протон-м-2-с-1-ср-1. Во внутреннем
поясе присутствует также некоторое количество электронов с
энергиями от 20-40 кэВ до 1 МэВ. На нижней границе внут-
реннего пояса (на высотах 200-300 км) частицы, испытывая
частые столкновения с атомами и молекулами атмосферных

- 1 Количество энергии, получаемой Землей , от космического излучения,
сравнимо с энергией, получаемой от светазвезд. •:	• «•• ч! 
газов, теряют свою энергию, рассеиваются и поглощаются
атмосферой.

Внешний радиационный пояс выделяется из плазмосфе-
ры прежде всего тем, что составляющие его частицы облада-
ют существенно большей энергией (до 1 МэВ), чем плазма.
Внешний радиационный пояс простирается вплоть до рас-
стояний 6-8 Re>. В течение периода высокой магнитосферной
активности он заселяется релятивистскими электронами и
обедняется ими в течение магнито-спокойного периода. Ио-
ны и электроны внешнего радиационного пояса приходят с
заметной вероятностью из хвоста магнитосферы. Время от
времени сильные магнитные бури направляют плазму хвоста
в область ближней к Земле части магнитосферы. При этом
электрические поля ускоряют частицы, находящиеся в хво-
сте. Они приобретают большую энергию и оказываются за-
хваченными на стабильные орбиты. Когда электрическое по-
ле исчезает, частицы продолжают оставаться на орбитах
внешнего радиационного пояса.

Сейчас хорошо установлено, что кольцевой ток сильно
возрастает во время магнитной бури, а интенсивность маг-
нитных возмущений на Земле почти пропорциональна плот-
ности кольцевого тока во время магнитной бури. Когда буря
прекращается, кольцевой ток почти затухает в основном за
счет зарядово-обменных столкновений с атомами геокороны,
окружающей Землю. Каждое такое столкновение производит
медленный протон и быстрый нейтральный атом. Было обна-
ружено, что здесь до 15% от общего количества ионов могут
составлять ионы О+. Имеются здесь и а-частицы. Смесь ио-
нов говорит о том, что кольцевой ток питается за счет раз-
ных источников. В отличие от внутреннего пояса, который
достаточно стабилен, кольцевой ток и внешний пояс посто-
янно изменяются. Среднее время <жизни» частиц здесь со-
ставляет ~ 105 с.

Частицы покидают радиационные пояса из-за потери
энергии на ионизацию1, вследствие рассеяния при столкно-
вениях с частицами окружающей холодной плазмы и рассея-
ния на магнитных неоднородностях и плазменных волнах.
Рассеяние сокращает время жизни электронов во внешнем
поясе до 104-105 с. «Высыпание» частиц из магнитной ло-
вушки приводит к усилению ионизации ионосферы, а «ин-
тенсивное высыпание» — к полярным сияниям.

1 Эта причина ограничивает, например, пребывание протонов внутрен-
него пояса в магнитной ловушке временем -10® с.
Говоря о частицах солнечного ветра, особенно следует
отметить высокоэнергетические частицы, практически это
протоны, выбрасываемые из Солнца со скоростью, соизме-
римой со скоростью света. Наиболее мощные выбросы таких
частиц связаны с корональными выбросами массы (рис. 42).
Из известных нам событий такого рода наиболее мощным
явился корональный выброс в марте 1991 г. Потребовалось
менее суток для того, чтобы ударная волна достигла магнито-
сферы (для обычного солнечного ветра требуется от 4 до 5
суток) и отбросила переднюю границу магнитосферы, веро-
ятно, на рекордную глубину ~ 4,5 7?® от центра Земли. Кроме
того, этот удар создал вторичную волну, прошедшую через
магнитосферу. Во внутреннем радиационном поясе на зна-
чительный промежуток времени возник второй максимум
интенсивности, так как частицы солнечного ветра в области
ударной волны были ускорены до многих МэВ. Имеется и
солнечное космическое излучение с энергией протонов
~ 500 Мэв и скоростью до половины скорости света, однако
вопрос о происхождении таких релятивистских протонов ос-
тается открытым. Часто их появление совпадает с КВМ.

Таким образом, в силу пока окончательно не выясненных
причин к нам приходят от Солнца потоки протонов со скоро-
стями вплоть до релятивистских. Взаимодействуя с атмосфе-
рой, потоки таких протонов способствуют протеканию хими-
ческих реакций в верхних слоях атмосферы и образованию
нейтронных ливней. Мощная солнечная вспышка может вы-
звать увеличение скорости счета нейтронов на уровне Земли
в десять — двадцать раз.

Солнечный ветер создает не только земную магнитосферу
и магнитосферы вокруг ряда других планет, но создает и по-
лость вокруг Солнца— гелиосферу. Это приводит к такой
модуляции проникновения заряженных частиц космического
происхождения внутрь гелиосферы, что они наблюдаются в
меньшем числе в районе орбиты Земли в течение максимума
солнечной активности и в большем количестве во время ми-
нимума солнечной активности.

Для анализа возможных путей воздействия солнечной
активности на биосферные процессы и здоровье людей чрез-
вычайно важным является то обстоятельство, что магнито-
сферу можно представлять себе как существенно диссипа-
тивную систему, которая под влиянием солнечной активно-
сти постоянно изменяется в размерах и форме. Эти измене-
ния, конечно, вызывают изменения и геомагнитного поля,
амплитуды которых достаточно малы. Изменения магнитных
полей, вызываемые антропогенными факторами, еще мень-
ше, исключая область частот в районе 50 Гц. Динамизм маг-
нитосферы может приводить к формированию периодиче-
ских, медленно изменяющихся пульсаций с частотами, близ-
кими к частотам биоритмов. Исследование слабых и низко-
частотных магнитных и акустических полей может открыть
возможность изучения воздействия солнечной активности на
жизненно важные процессы.

Интересным обстоятельством является и то, что изменения
формы и размеров магнитосферы приводят в движение в ко-
нечном итоге всю атмосферу. Более того, поступление в атмо-
сферу части магнитосферной плазмы сопровождается выделе-
нием в ней дополнительного количества энергии и, как следст-
вие, воздействием на метеорологическую обстановку.

6.7.	ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
И ДРУГИХ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ НА ЗЕМЛЕ

Мы рассмотрели известные к настоящему времени про-
цессы, происходящие на Солнце, и среду1, которую должны
преодолеть излучения и волны, там генерируемые. Вместе это
создает минимально необходимые условия для анализа воз-
можных проявлений внешних воздействий на процессы,
протекающие в биосфере, и на ее стабильность. На протяже-
нии всей истории человечества открытие новых явлений и
процессов на Солнце всегда сопровождалось и сопровожда-
ется попыткой найти их возможное влияние на процессы,
протекающие в биосфере, на здоровье людей и даже на
взаимоотношения между странами и народами.

Наиболее часто определенный процесс на Солнце пыта-
ются связать со здоровьем людей или погодой, а последова-
тельности таких процессов — с имеющимися данными по
климату. Так или иначе побудительным мотивом такого рода
деятельности является надежда обнаружить ключ к объясне-
нию и предсказанию событий, происходящих на Земле и не-
посредственно касающихся жизни человека. Конечно, и в
конце второго тысячелетия наши знания не только о меха-
низмах воздействия, но даже и о процессах, происходящих
на Солнце, далеки от того уровня, который необходим для

1 Этой средой являются атомы, молекулы и ионы, находящиеся внутри
магнитосферы.
убедительных объяснений или корректных предсказаний.
Тем не менее эти знания не только резко расширились после
вывода аппаратуры за пределы атмосферы с помощью ис-
кусственных спутников Земли, но в ряде областей и сущест-
венно изменились. Это мы должны постоянно иметь в виду,
когда слышим или читаем об описаниях солнечно-земных
связей в монографиях и учебниках, опубликованных всего
20-30 лет тому назад.

С конца XIX в. большие надежды связывались с солнечны-
ми пятнами и циклами. Средства массовой информации и на-
учные сообщения были заполнены обнаруженными корреля-
циями не только с погодой, но и с урожаями зерна, здоровьем
человека, экономическими тенденциями, численностью тех или
иных грызунов и т. д. Одним из наиболее известных предста-
вителей такого рода деятельности в России являлся А.Л. Чижев-
ский. Обнаруженные корреляции при внимательном статисти-
ческом рассмотрении оказывались малодостоверными, и они
никогда не имели сколько-нибудь убедительного объяснения.
Нельзя исключить, что какие-либо корреляции получат в буду-
щем научное признание, однако это будет итогом последних
достижений науки, а не просто предположениями людей,
стоящих, например, на позициях «космизма».

Формально солнечно-земные связи можно представить в
виде диаграммы (рис. 65). Отметим, что на этой диаграмме
опущены гравитационные взаимодействия. Часть высоко-
частотного электромагнитного и высокоэнергетического кор-

Рис. 65. Основные компоненты и направления
взаимодействий системы Солнце — биосфера
пускулярного излучений Солнца может непосредственно воз-
действовать на процессы, происходящие в биосфере, избе-
жав взаимодействия с межпланетной средой, атмосферой и
магнитосферой. Подавляющая часть солнечных излучений
оказывает опосредованное воздействие на биосферу и зем-
ную кору за счет инициируемых ими вторичных и третичных
процессов.

Даже и сегодня никто не может исчерпывающим образом
описать механизмы воздействия солнечной или космической
активности на процессы, происходящие в биосфере или
влияющие на деятельность людей. Основной причиной этого
является то, что уровень наших знаний о результатах воздей-
ствий на растения и организмы слабых магнитных, электри-
ческих и гравитационных полей, а также ионизирующих из-
лучений с интенсивностью, близкой к природному радиаци-
онному фону, очень далек от желаемого.

Ситуация упрощается в тех случаях, когда нас интересу-
ет вполне определенный аспект солнечно-земных связей, не
связанный при этом непосредственно с биологическими про-
цеЬсами. Это в какой-то степени напоминает положение с
энергией, о котором мы говорили в разделе 2.5, т. е. мы не
можем четко определить, что такое энергия, но все сразу из-
меняется, когда мы чуть упрощаем задачу и говорим о кине-
тической, тепловой, электрической или какой-то другой,
вполне определенной форме энергии.

Поэтому в качестве первого примера рассмотрим атмо-
сферно-магнитосферно-ионосферные процессы, влиянием на
которые биологических процессов мы можем действительно
пренебречь. Конечно, как и все в природе, это очень слож-
ный комплекс, и мы выделим внутри него только два аспек-
та: гравитационные взаимодействия и ионосферные процес-
сы и бури, на которые уже оказывают воздействие и антро-
погенные факторы.

В разделе 6.3 мы говорили о том, как гравитационные
взаимодействия влияют на солнечную постоянную и, следо-
вательно, на биосферу за счет изменения параметров движе-
ния Земли вокруг Солнца. Гравитационные взаимодействия
оказывают и прямое влияние на атмосферно-магнито-
сферно-ионосферные процессы. Речь идет прежде всего о
приливных эффектах, имеющих место в околоземном косми-
ческом пространстве, которые мы разделим на три типа.

1.	Эффекты, распространяющиеся «снизу» и возникаю-
щие из-за гравитационного влияния Луны и Солнца, а также
теплового воздействия Солнца. Они вызывают колебания в
атмосфере, которые в ионосфере индуцируют электрические
токи и поля поляризации, распространяющиеся вдоль сило-
вых линий магнитного поля Земли. В магнитосфере эти поля
влияют на распределение захваченной радиации, на кольце-
вой ток и на плазму, вызывая суточные вариации, завися-
щие от солнечного или от лунного времени.

2.	Эффекты, распространяющиеся «сверху» и связанные
с тем, что околоземное пространство на больших высотах пе-
риодически изменяется из-за влияния Солнца и Луны. На-
пример, граница магнитосферы может обладать суточными и
сезонными колебаниями.

3.	Прямой эффект — например, прямое влияние Луны на
кольцевой ток в магнитосфере.

Атмосферные приливы известны уже в течение несколь-
ких столетий. Приливные вариации магнитного поля Земли в
ионосфере описаны относительно недавно. Непрерывно ме-
няющийся поток солнечного ветра приводит к постоянным
колебаниям формы и размеров магнитосферы. Возникают
магнитосферно-ионосферные возмущения. Так как ионосфе-
ра и, в определенной степени, магнитосфера являются час-
тями атмосферы, то такие возмущения не могут не касаться
атмосферных процессов. Моментально выстраивается це-
почка солнечно-атмосферно-магнитосферно-ионосферных
связей, на которые накладываются и возмущения антропо-
генного происхождения.

Напомним, что движения нейтральных и ионизирован-
ных компонентов атмосферы связаны между собой. В ионо-
сфере в качестве основных факторов, возбуждающих дви-
жения нейтральных и заряженных компонентов, выступают
электрические поля и градиенты давлений. Из-за столкнове-
ний между заряженными и нейтральными частицами элек-
трическое и магнитное поля влияют на движения нейтраль-
ных частиц, а градиент давления нейтрального газа— на
движения заряженных частиц. Под воздействием УФ излуче-
ния Солнца и авроральных процессов устанавливается гло-
бальная циркуляция в термосфере, которая влияет и на более
низкие слои. Горизонтальные структуры распределения ветра
и температуры качественно различаются для верхней и ниж-
ней термосферы. Одновременно изменения и возмущения в
системе циркуляции нижней атмосферы воздействуют на
процессы в находящихся выше слоях. Таким образом, антро-
погенные воздействия на нижнюю атмосферу безусловно пе-
редаются и вверх.
Некоторое представление о том, как эти взаимодействия
приводят к ионосферным возмущениям1, дает диаграмма,
представленная на рис. 66. Возмущения, вносимые в систе-
му, удобно разделять на естественные и искусственные. Ос-
новная часть таких событий перечислена на диаграмме.
Видно, что существует достаточно широкий спектр антропо-
генных воздействий на состояние верхней нейтральной ат-
мосферы и ионосферы. Естественные возмущения обуслов-
лены солнечными вспышками и влиянием процессов в ниж-
ней атмосфере (тропосфере и стратосфере) и в земной коре
(землетрясения) на верхнюю нейтральную атмосферу и на
ионосферу. Связи очень многогранны, и все их не отразить
на подобной диаграмме (например, на рис. 66 не показано
влияние активных процессов на Солнце на процессы в ниж-
ней атмосфере).

Рис. бб. Схематическое представление источников естественных и ис-
кусственных ионосферных возмущений и бурь. ВИВ— внезапные ионо-
сферные возмущения, ПГПП — поглощение в полярных шапках

1 Ионосферные возмущения — это сравнительно кратковременные про-
цессы, сопровождающиеся изменениями различных параметров иоиосферы,
прежде всего электронной концентрации, в пределах от долей процента до
иногда сотен процентов. Ионосферные бури — устойчивые в течение не ме-
нее нескольких часов изменения (главным образом во время магнитных
бурь}. Под спокойным понимается состояние ионосферы, определяемое лишь
фоновым коротковолновым излучением Солнца.
Что касается части, связанной с солнечными вспышка-
ми, то резкое увеличение интенсивности рентгеновского и УФ
излучений, сопровождающее их и приводящее к соответст-
вующему повышению электронной концентрации в нижней
ионосфере, проявляется во внезапных ионосферных возму-
щениях. Через небольшой интервал времени приходят и час-
тицы космических лучей (главным образом протоны с энер-
гией >10 МэВ). Они попадают в основном в полярные шапки
и обусловливают явления поглощения в полярных шапках
(ППШ). Этот процесс отражает интегральный эффект изме-
нений в ионосфере, проявляющийся в поглощении радио-
волн космических источников. Химические процессы в ионо-
сфере во время ППШ в значительной степени подобны про-
цессам во время внезапных ионосферных возмущений. Ос-
новное отличие здесь заключается в том, что во время ППШ
значительная ионизация существует и ночью.

Затем, по прошествию 30-40 ч, начинается комплекс яв-
лений, связанных с внезапным усилением солнечного ветра.
Эти ионосферные эффекты — ионосферные бури — носят
глобальный характер и тесно связаны с магнитными бурями.
Ионосферные бури охватывают все высоты в ионосфере, хо-
тя сама величина эффекта зависит от широты, высоты, от
местного времени и т. п. Наиболее существенным оказывает-
ся влияние процессов в авроральных зонах, где имеет место
основное выделение энергии за счет джоулевой диссипации
токов и высокоэнергетических частиц из магнитосферы.

Вопрос о том, в какой мере и как солнечная активность
оказывает влияние на климат и погоду, является централь-
ным, когда мы говорим о солнечно-земных связях. Он приоб-
рел особую актуальность, когда некоторые ученые выступили
с утверждением о глобальном потеплении в связи с возрос-
шей эмиссией парниковых газов. Что касается упомянутых
выше корреляций и цикличности в поведении животных
(размножение тех или иных видов) или урожайности тех или
иных культур, то, если они есть, они должны сопутствовать
определенной цикличности климатических условий, в кото-
рых эти виды или культуры находятся. Как растения, так и
животные зависят от погоды и климата. Поэтому поискам
«более простых и фундаментальных» погодных и климатиче-
ских корреляций с солнечной активностью посвящено осо-
бенно много работ.

Эти работы можно условно разделить на две группы.
Первые призваны показать связь тех или иных событий на
Солнце с проявлениями погоды на Земле. Работы второй
группы посвящены изучению влияния усредненной активно-
сти Солнца на те или иные климатические тенденции. Из-
вестны сотни работ, в которых обсуждаются различные ас-
пекты влияния солнечной активности на вариации погоды и
климата Земли и на изменения параметров нижней атмо-
сферы. Один из основных аргументов противников работ та-
кого плана сводится к тому, что мощность атмосферных
процессов порядка 1019-1020 Дж сут-1. В то же время поток
энергии, вносимой в магнитосферу Земли, а затем и в атмо-
сферу солнечным ветром и жестким электромагнитным излу-
чением, составляет ~ 1016 Дж-суг1, что на 3-4 порядка
меньше.

Известно, что в термодинамическом отношении атмо-
сфера даже в спокойном состоянии является квазистацио-
нарной. Оптические характеристики атмосферы очень из-
менчивы и зависят от содержания в ней озона, водяных па-
ров, окиси углерода и других «малых составляющих», концен-
трация которых может существенно меняться. В предыду-
щем разделе мы уже отмечали, например, как изменяется
концентрация и ионный состав всех слоев ионосферы под
влиянием солнечной активности. В качестве одного из воз-
можных механизмов реализации воздействия солнечной ак-
тивности часто предполагается изменение под ее воздейст-
вием прозрачности атмосферы и соответственно значитель-
ное изменение количества солнечной энергии, достигающей
нижней атмосферы.

Общий подход сводится к следующему. Совпадающие с
циклами солнечной активности и возникающие в результате
вспышки или коронального выброса массы протоны с энер-
гиями ~ 100 МэВ через короткое после этого события время
достигают Земли. Они могут эффективно воздействовать на
процессы в атмосфере на высотах 10-20 км, а их интенсив-
ность может испытывать вариации в десятки процентов.

Одновременно возникают и неоднозначности, связанные
с тем, что магнитные поля, выносимые потоками плазмы из
активных областей на Солнце, так воздействуют на магнито-
сферу Земли, что начинают экранировать нас от галактиче-
ских космических лучей. Предпосылкой обнаружения и дос-
товерного описания атмосферных эффектов, обусловленных
высокоэнергетйческими протонами, оказывается разделение
влияний СКЛ и ГКЛ. В результате наложения этих двух про-
цессов мы сталкиваемся с довольно сложной и неоднознач-
ной вариацией интенсивности потоков высокоэнергетиче-
ских частиц, вторгающихся в атмосферу Земли. Более того,
на вторые-третьи сутки мы должны наблюдать и вариацию
интенсивности ГКЛ, связанную с изменением ММП в районе
гелиопаузы.

Если суммарный поток высокоэнергетических протонов
меняется, то в результате пока не вполне выясненных физико-
химических процессов может произойти уменьшение (или уве-
личение) прозрачности атмосферы. Если это имеет место, то
тем самым модулируется поступление солнечной энергии в
нижнюю атмосферу. В свою очередь, это приводит к измене-
нию температуры воздуха и высоты изобарических поверхно-
стей в тропосфере, обусловливая тем самым заметные измене-
ния скорости крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Изменение прозрачности атмосферы может быть обуслов-
лено разными причинами. Упомянем о двух возможных: изме-
нение химического состава и изменение аэрозольного состава.
Рассмотрим первую из причин, следуя М.И. Пудовкину и О.М.
Распопову. Пусть под влиянием высокоэнергетического косми-
ческого излучения усиливается ионизация и диссоциация моле-
кул N2 и Ог1. Образующиеся при этом ионы, такие, как N2+, О2+,
N+, О+, участвуют в фотохимических реакциях, одним из про-
дуктов которых является окись азота NO. Последняя активно
взаимодействует с молекулами озона:

NO+ Оз —> NO2 + О2.

Озон разрушается также при взаимодействии с атомар-
ным кислородом:

Оз + О —> 2О2.

Таким образом, вторжение высокоэнергетических частиц
в атмосферу вызывает разрушение озона Оз и образование
двуокиси азота NO2. Это, в свою очередь, вызывает сущест-
венные изменения в радиационном балансе в атмосфере.
Оценки показали, что в случае очень интенсивных протон-
ных событий может происходить уменьшение на порядок
концентрации озона и увеличения на высоте 30-35 км кон-
центрации NO2 почти на два порядка.

Влияние изменений интенсивностей корпускулярного из-
лучения на погодные условия авторы рассмотрели на приме-
ре анализа погоды в высоких широтах, которая там весьма
изменчива. Было проведено сравнение расчетов с данными

1 В ионизационный эффект вносит свой вклад и рентгеновское излуче-
ние, интенсивность отдельных компонент которого может возрастать во
время вспышек в десятки раз.
метеорологических наблюдений по Санкт-Петербургу, где
чрезвычайная изменчивость погоды обусловлена, как из-
вестно, прохождением атлантических циклонов1. Особое
внимание уделялось анализу влияния вариации солнечной и
магнитной активности на циркуляцию нижней атмосферы1 2.
Было обнаружено, что развитие геомагнитного возмущения
сопровождается вариацией скорости циркуляции атмосфе-
ры. Через 1-2 суток после солнечной вспышки происходит
заметное усиление зональной циркуляции атмосферы, а че-
рез 3-4 суток— заметное ее ослабление. Изменения атмо-
сферной циркуляции связаны с энергетическими затратами
~ 1019-1020 Дж-сут.-1. Заметное изменение давления в случае
протонных событий прослеживается от экватора к высоким
широтам.

Обнаружено, что на цепочке обсерваторий от Рейкьявика
до Архангельска происходило практически синхронное
уменьшение содержания в атмосфере озона на 4-19%, а
также оксидов азота. Оценки показали, что дополнительная
энергия, поступающая в течение суток в нижнюю атмосферу
за счет изменения прозрачности, составляет (1,5-2)-1019
Дж-сут.-1 и для магнитной бури, длящейся 3-4 суток, полное
количество дополнительной энергии может достигать 1020
Дж. Эта величина соизмерима с энергией, необходимой для
изменения зональной циркуляции атмосферы. Таким обра-
зом, изменение атмосферных параметров (температура, цир-
куляция, давление) может быть связано с изменением про-
зрачности атмосферы во время возмущений.

Непосредственные измерения интенсивности солнечного
излучения на поверхности Земли в высоких широтах также
подтвердили, что уменьшение потока космических частиц
вызывает увеличение прозрачности атмосферы, а его увели-
чение приводит к уменьшению прозрачности атмосферы.
Было обнаружено, что уменьшение интенсивности солнечно-
го излучения, связанное с интенсивными вспышками СКА,
может составлять 5-10%. Расчеты показали, что суммарный
поток солнечной энергии в поясе широт 55-80° увеличивает-
ся или уменьшается на - 3-1019 Дж-сут.-1, что совпадает с
вышеприведенными оценками и соизмеримо с мощностью
атмосферных процессов.

1 Вспомним, что в авроральную и субавроральную зоны происходит ин-
тенсивное высыпание частиц солнечного ветра.

2 Под действием сил инерции Кориолиса скорость солнечного ветра ока-
зывается направленной перпендикулярно градиенту давления, т. е. вдоль
изобар.
Прозрачность атмосферы сильно зависит от ее аэрозоль-
ного состава. Имеется ряд возможных механизмов радиаци-
онно возмущающего воздействия (РВВ) аэрозолей на климат,
из которых можно отметить: влияние аэрозолей на радиаци-
онный баланс за счет рассеяния и поглощения света на аэро-
зольных частицах; их влияние на фазовые переходы воды в
атмосфере при облако- и осадкообразовании и различные
гетерогенные химические и фотохимические реакции, в ча-
стности развал молекул озона на поверхности аэрозольных
частиц.

Скорость собирания частиц аэрозолей заряженными ка-
пельками воды оказывается на один-два порядка выше, чем
незаряженными. Скорость, с которой капельки воды заря-
жаются, зависит от плотности потока ионизирующего излу-
чения и интенсивности электрического поля в атмосфере. По
мнению ряда ученых, аэрозоли являются наиболее вероят-
ным «спусковым устройством» в атмосферных процессах.
Так, согласно некоторым оценкам, обусловленное тропосфер-
ным аэрозолем среднеглобальное РВВ сопоставимо с «облач-
ным» РВВ, составляя около 1 Вт-м-2 и возрастая до 10 Вт-м*2 в
отдельных регионах.

Рассмотрим теперь подход, основанный на сопоставлении
усредненной активности Солнца с теми или иными климатиче-
скими тенденциями. Основу этого подхода составляют данные,
представленные на рис. П5, согласно которым на протяжении
двух циклов солнечной активности изменения светимости
Солнца совпадают по фазе с ходом явлений солнечной актив-
ности. Эти результаты способствуют созданию энергетической
основы солнечно-земных связей, так как циклы солнечной ак-
тивности теперь могут рассматриваться так же, как циклы из-
менений энергии, приходящей от Солнца, и, следовательно, как
движущая сила изменений глобального климата, отличная от
известных вариаций солнечного потока, связанных с цикличе-
скими изменениями орбитальных параметров Земли.

Из рис. П5 следует, что изменение солнечной постоянной
при переходе от максимума к минимуму солнечной активно-
сти составляет менее 0,1%, что само по себе не должно при-
водить к заметному воздействию на климат. Это использова-
лось сторонниками гипотезы о влиянии антропогенной эмис-
сии парниковых газов на изменение климата как аргумент в
пользу их правоты. Однако такие данные мы имеем только
для 21-го и 22-го солнечных циклов1. Вполне возможно, что в

1 Двадцать второй цикл солнечной активности начался в 1992 г.
других случаях такие вариации могли достигать 0,2-0,3%!.
Более того, амплитуды изменений чисел Вольфа в разных
циклах различны, и чем короче цикл, тем выше солнечная
активность и меньше космических лучей достигает атмосфе-
ры, и наоборот. Так, с середины XVIII в. циклы солнечной ак-
тивности различаются не столько амплитудой, сколько дли-
тельностью, которая, оказалось, хорошо коррелирует со сред-
ней наземной температурой (рис. 67). Более того, оцененный
отсюда для прошедшего столетия коэффициент корреляции
между изменениями температуры и солнечной активностью
равен 0,95 и оказывается очень малым, если такую корреля-
цию пытаются установить с концентрацией СОг. Корректно-
го объяснения зависимостям подобного типа пока нет.

Рис. 67. Зависимости длины солнечных циклов и изме-
нения температуры поверхности северного полушария (от-
носительно среднего значения за 1951-1980 гг.); солнечный
цикл — крестики; кружки соответствуют длине циклов

Несомненно, что изучение климатоэкологической систе-
мы, включающей и биосферу, является исключительно труд-
ной задачей и требует учета большого числа физических, хи-
мических, фотохимических и биологических процессов, мно-
гие из которых взаимосвязаны. Что касается влияния антро-
погенной эмиссии СО2 на изменение климата, то, по крайней
мере, в настоящее время эта проблема исчерпала себя. Для
выявления возможных изменений климата под влиянием

1 Согласно некоторым оценкам, при уменьшении светимости Солнца иа
0,25% глобальная температура может понизиться на 0,46 К, а температуры
отдельных регионов могут изменяться иа 1,5 К.
солнечной активности необходимо осуществление спутнико-
вых наблюдений солнечной постоянной на протяжении деся-
тилетий. Строго говоря, пока не существует достаточно пол-
ного перечня солнечно-климатических связей и физических
механизмов, достоверно их объясняющих. Огромного количе-
ства известных, но разрозненных фактов недостаточно для
этого.

В настоящее время для понимания солнечно-климатиче-
ских связей продуктивной является гипотеза о том, что меха-
низм воздействия связан, в первую очередь, с СКА и образова-
нием окиси азота при бомбардировке полярной стратосферы
заряженными частицами. Это может приводить к возмущени-
ям приходящих тепловых потоков, за которыми следуют изме-
нения температуры, ветра, условий энергообмена между тропо-
сферой и стратосферой. В конечном итоге, происходит воздей-
ствие солнечных протонов на погоду. Особое внимание привле-
кают в этой связи исследования модуляции содержания стра-
тосферного озона под воздействием изменяющейся УФ радиа-
ции, а также модуляции содержания стратосферной двуокиси
азота под влиянием вариаций ГКЛ и СКА.

Наиболее чувствительны к изменениям солнечной посто-
янной осадки (или испарение), а также континентальный
снежный покров и морские льды. По мнению ряда ученых,
например К.Я. Кондратьева, площадь ледяного покрова в
южном полушарии является чувствительным индикатором
изменений климата. Большое значение для оценки влияния
солнечной активности на климат будут иметь и результаты
численного моделирования воздействия изменений химиче-
ского состава атмосферы и облачности на климат. При ис-
следовании облаков существенно принимать во внимание
также их оптические свойства, высоту и географическое ме-
стонахождение.

Помимо возможного влияния на климат космическое излу-
чение оказывает и непосредственное воздействие на биоту, так
как оно является известным компонентом природного радиа-
ционного фона. Однако его вклад в среднюю годовую дозу не
превосходит 15%, а пределы его возможных вариаций намного
меньше вариаций, обусловленных радоном.

Помимо корпускулярного и электромагнитного излучений
на планету постоянно воздействует и поток вещества, со-
стоящий из космической пыли и метеоритов, о которых мы
говорили выше. Существенных воздействий на биосферу они
не оказывают, но это справедливо до тех пор, пока размер
падающих тел мал. Начиная с метеоритов весом более кило-
грамма мы должны считаться с серьезными разрушениями.
Несомненно, что частота возможных попаданий на Землю
«весомых» объектов резко зависит от их массы и это часто
является основанием для пренебрежения такими событиями.

Однако в последнее время в связи с развитием теории
экологического риска мнение ученых меняется. Дело в том,
что риск следует рассматривать как произведение вероятно-
сти события на ущерб от него, выраженный в денежных
единицах и (или) в количестве потерянных жизней или чело-
веко-лет. Поэтому события, характеризующиеся даже очень
малой вероятностью, следует принимать во внимание, если
ущерб в случае их реализации может достигать многих де-
сятков триллионов рублей и стоить жизни десяткам миллио-
нов людей. Учет этого обстоятельства заставляет в настоящее
время многих ученых уделять внимание и проблеме, полу-
чившей название астероидной опасности1.

Земля, как и другие планеты солнечной системы, на всем
протяжении ее истории подвергалась и подвергается бом-
бардировке метеоритами, астероидами и кометами. Резуль-
таты подобной бомбардировки хорошо видны, когда мы рас-
сматриваем поверхность Луны, но нужно помнить, что Земля
подвергалась еще более интенсивному воздействию, чем Лу-
на. Отличие состоит в том, что на Земле кратеры постепенно
исчезают в результате разнообразных биосферных процессов
(включающих процессы эрозии и перемещения масс вещест-
ва), вулканической и тектонической деятельности. Тем не
менее около 120 кратеров ударного происхождения известно
в настоящее время.

Первым был идентифицирован в 20-е гг. этого века ме-
теоритный кратер в Аризоне (Barringer Crater), когда были
обнаружены следы попавшего туда метеорита1 2. Возраст этого

1 Интерес к этой проблеме определяется и наличием огромного военно-
технического потенциала в области ядериого оружия и баллистических ра-
кет. Соответствующие структуры борются за новые сферы приложения. Си-
туация напоминает ту, которая сложилась в начале пятидесятых годов в
связи с успехами в области реакторостроения для военных целей и позволи-
ла без больших капитальных затрат создать атомную энергетику.

2 Не существует определенной весовой границы между тем, что называ-
ется метеороидами, астероидами и потухшими кометами, особенно если из-
вестно, что объект по той или иной орбите вращается вокруг Солнца. Услов-
но будем считать метеоритами объекты, достигшие поверхности Земли с
массой до нескольких тонн (удар от них эквивалентен взрыву небольшой
атомной бомбы). Примером является метеорит— углистый хондрит СЗ, на-
званный по месту падения — Алленде (Мексика), который весил -2 т. «Тун-
гусский метеорит» будем считать астероидом диаметром - 100 м, взорвав-
шимся при вхождении в плотные слои атмосферы.
кратера - 49 000 лет, а диаметр - 1,2 км. Однако остатков
упавшего объекта часто может в кратере и не быть. При уда-
ре очень большого метеорита развиваются такие давления и
температуры, что метеорит может полностью испариться или
перемешаться с породами, составляющими поверхностный
слой. Через несколько тысячелетий все компоненты метеори-
та могут подвергнуться полной эрозии. Подобные удары при-
водят к ударному метаморфизму, который может однозначно
подтвердить, что когда-то здесь произошло ударное событие.
Чем более сильный удар, тем более сложная структура может
быть у образовавшегося кратера.

Одним из самых известных является кратер Chicxulub
диаметром ~ 170 км, расположенный на полуострове Юкатан
в Мексике и названный по имени расположенного неподале-
ку селения. Предполагается, что он образовался ~ 65 млн лет
тому назад в результате падения астероида размером ~ 10 км
в богатую серой, уникальную в геологическом отношении об-
ласть. В атмосферу были выброшены миллиарды тонн серы и
горных пород, что привело к затемнению Земли и глобально-
му похолоданию (эффекту ядерной войны). Предполагается,
что в результате этого вымерла половина населявших био-
сферу видов, включая динозавров. Другим гигантским кра-
тером является кратер Manicouagan диаметром ~ 100 км в
штате Квебек, Канада. Он был образован -212 млн лет тому
назад.

Астероиды, движущиеся в пределах 1,3 а. е. от Солнца, вы-
деляют в отдельную группу — близких к Земле (табл. 14). Боль-
шинство их принадлежали основному поясу астероидов и были
выброшены из него в результате столкновений с другими асте-
роидами и (или) гравитационными силами Юпитера. Некото-
рые из них являются остатками комет. Орбиты этих астероидов
подвержены влиянию Солнца, планет земной группы и столк-
новениям с другими телами. Наибольшим из таких астероидов
является Ганимед1 (1036) с диаметром 41 км. Обнаружено ~
300 астероидов, пересекающих орбиту Земли, но предполагает-
ся, что их очень много, просто их трудно обнаружить. Вероят-
но, имеется несколько сотен объектов, больших, чем астероид
Географ, тысячи — размером порядка километра и несколько
сот тысяч — больших 200 м.

1 В скобках дается иомер астероида, присуждаемый в порядке откры-
тия.
Таблица 14. Группы близких к Земле астероидов

	Характеристики орбиты	Характерный представитель
Группа Амура	Пересекают орбиту Марса, но не пересекают орбиту Земли	Эрос (433)
Группа Аполло- на	Пересекают орбиту Земли, орби- тальный период более года.	Географ (1620)
Группа Атона	Пересекают орбиту Земли, орби- тальный период менее года.	Hathor (2340)

В 1989 г. астероид размером 400 м прошел со скоростью
74 000 км-час-1 на расстоянии 640 000 км от Земли, а
09.12.1994 г. другой астероид прошел на расстоянии всего
103 500 км от Земли. Одним из потенциально опасных асте-
роидов является Toutatis1. С приближающимися к Земле ас-
тероидами часто связывают и метеорные потоки. Особенно
это справедливо для астероидов, приближающихся к Земле
на расстояние до 0,1 а. е. Ученые работают над тем, чтобы
обнаружить все близкие к Земле астероиды с диаметром око-
ло километра, так как их столкновения с Землей могут при-
вести к катастрофическим последствиям. При приближении
к Земле астероида предполагается запустить ему навстречу
ракету с мощной водородной бомбой, импульс от взрыва ко-
торой должен слегка изменить направление движения асте-
роида. Подобные, весьма рискованные, предложения пока не
получили никакого официального признания.

1 Плоскость его орбиты ближе к плоскости орбиты Земли, чем для любо-
го другого астероида. По расчетам, в сентябре 2004 г. он пройдет мимо Зем-
ли на расстоянии - 1,5 млн км. Этот исключительно сложный объект солнеч-
ной системы испытывает чрезвычайно сложное вращение с кувырканием.
По-видимому, это результаты катастрофических столкновений. Движение
его нерегулярно и плохо предсказуемо.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рост населения, развитие науки, техники и промышлен-
ности привели к тому, что человек стал оказывать сущест-
венное влияние на всю биосферу. В настоящее время в науч-
ной литературе, связанной с экологией, шаблонными стали
фразы типа «грозным напоминанием антропогенного давле-
ния на природу (или загрязнения природной среды) является
нарастающий глобальный экологический кризис». Обоснова-
ния же наличия такого кризиса или хотя бы последователь-
ного его описания мы не найдем. Подобные не сформулиро-
ванные четко утверждения достаточно типичны для экологи-
ческой литературы. Обозначив глобальную экологическую
проблему, нельзя просто постулировать бедствие, а потом
бесконечно обсуждать его возможные последствия. Это ни-
как не способствует воспитанию у каждого человека береж-
ного отношения к природе, а скорее действует в обратном
направлении: внушает боязнь и неверие в возможность от-
дельного человека внести вклад в сохранение биосферы.

Из наличия глобальных экологических проблем, о кото-
рых мы говорили в первой главе учебника, не следует суще-
ствование самого кризиса. Под экологическим кризисом мы
будем понимать такую фазу развития биосферы, на которой
происходит качественное изменение флоры и фауны, сопро-
вождающееся вымиранием одних видов и возникновением
других.

Очень часто в это понятие вкладывается совсем иной
смысл, связанный не с экологическими проблемами, а с при-
родоохранной или даже экономической деятельностью. Так,
например, согласно Н.Ф. Реймерсу, экологическим кризисом
является напряженное состояние взаимоотношений между
человечеством и природой. Оно характеризуется несоответ-
ствием развития производительных сил и производственных
отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим
возможностям биосферы. Экологический кризис характери-
зуется не просто и не столько усилением воздействия челове-
ка на природу, но и (это следует особо подчеркнуть) резким
увеличением влияния измененной людьми природы на обще-
ственное развитие. Как следствие, утверждается, что эколо-
гический кризис может быть предотвращен соответствую-
щими природоохранными и природооздоровительными ме-
роприятиями.

Как мы отмечали в разделах 2.12 и 6.3 при современном
способе производства энергии любая деятельность приводит
к возрастанию энтропии и энтропийному кризису. Термоди-
намика действительно создает научную базу для анализа
многих экологических проблем. Причина этого заключается в
том, что она является феноменологической наукой, т. е. ее
положения носят универсальный характер. Изучение систе-
мы Вселенная — Галактика — Солнечная система — Земля
необходимо для понимания эволюции биосферы. Огромная
емкость биосферы и способность ее к самоорганизации явля-
лись до последнего времени залогом того, что антропогенные
воздействия на уровне всей биосферы не приводили к суще-
ственной ее дестабилизации.

Уместно спросить теперь, а какая (или какие) из глобаль-
ных проблем является основной и может послужить действи-
тельной причиной дестабилизации всей биосферы. Бесспор-
но, такая проблема есть и из нее прямо или косвенно следуют
остальные — это проблема роста народонаселения. Становит-
ся совершенно очевидно, что все население Земли на уровне
2000 г. не может жить в условиях, типичных для высокораз-
витых стран. Если бы это и стало возможным, то эмиссия
всех возможных поллютантов и тепловое загрязнение окру-
жающей среды были бы катастрофическими. Потребовалось
бы отчуждение еще больших территорий под технические
нужды, дальнейшее сокращение сельскохозяйственных уго-
дий, вырубка лесов и т. д. В то же время сохранение нера-
венства неизбежно будет приводить к тем или иным потря-
сениям и соответственно экологическим бедствиям.

Самым важным в экологическом отношении является во-
прос не просто стабилизации численности населения, а естест-
венное сокращение его, например, за счет перехода к формуле
одна семья — один или два ребенка. Однако этот основопола-
гающий момент обходится подавляющим большинством уче-
ных и практически всеми политическими и общественными
деятелями, влияющими на принятие решений. Заметим, что,
по современным (элитным) сценариям, биосфера на долгосроч-
ной основе может нести только 0,5-1,0 млрд человек, пользую-
щихся всеми благами природы и цивилизации.

Что определяет в первую очередь эту величину? Различ-
ные «физические факторы», о которых мы упоминали при
рассмотрении глобальных экологических проблем, конечно,
контролируют деятельность организмов, но пока определяю-
щим является то, что организмы влияют на абиотическую
среду и контролируют ее самыми разнообразными способа-
ми. Организмы постоянно изменяют физическую и химиче-
скую природу веществ, ее составляющих, отдавая в среду
новые соединения. Они определяют почти все, от состава
морской воды и донных илов до состава атмосферы. И это
распространение биологического контроля на глобальный
уровень стало основой гипотезы Геи, созданной Д. Лавлоком.

Стремясь снизить уровень антропогенного воздействия,
уровень загрязнения, человек должен стараться сохранить
целостность и крупномасштабность биоты, и прежде всего
лесов. Вырубка лесов является, по мнению многих ученых,
например В.Г. Горшкова, тем бедствием, с которым челове-
чество должно справиться в первую очередь, так как сохра-
нение лесов даже на том уровне, который мы имеем сейчас,
явилось бы определяющим в борьбе с разрушением сложив-
шейся биосферы.

С объемом биоты, в конечном итоге, связана и проблема
замкнутости биогеохимических циклов. По сути дела, живые
организмы должны использовать только вещества, концентра-
ции которых регулируются биологически и которые определяют
приемлемые для жизни значения температуры окружающей
среды, спектральный состав солнечного излучения на поверх-
ности Земли, гидрологический режим вод суши. Подобно рас-
смотренному нами действию принципа Ле Шателье в термоди-
намических системах биота может компенсировать за счет на-
правленного изменения управляемых ею концентраций био-
генных элементов в окружающей среде изменения и случайные
флуктуации этих характеристик. В то же время сегодня не сто-
ит даже вопроса о возможности целенаправленного регулиро-
вания или управления биосферой. Система настолько сложна и
многопараметрична, что реальных подходов нет и, вероятно, не
будет1.

1 Подобные утверждения могут вызывать недоверие у городских жите-
лей, привыкших к сельскохозяйственной продукции, паркам и скверам. Од-
нако сельское хозяйство, парки и скверы не являются, строго говоря, био-
Мы уже не раз отмечали, что биота определяет «лик Зем-
ли». Нарушение целостности биоты приведет к тому, что ок-
ружающая среда будет подстраиваться под изменяющуюся
биоту. Окружающая среда может полностью исказиться за
десятки лет1, если современные тенденции не будут измене-
ны. Нарушение структуры естественной биоты на основе
преобразования природы* 1 2 представляет собой для окружаю-
щей среды не меньшую опасность, чем уничтожение биоты.

Читая о каком-нибудь «экологическом» кризисе, мы
должны в каждом случае анализировать, о чем идет речь. В
этой связи необходимо еще раз подчеркнуть, что энергетиче-
ский кризис или бедствия, связанные с истощением природ-
ных ресурсов, это нестрогие понятия. Мы расходуем не энер-
гию, а эксергию (см. 2.12), и это приводит к энтропийному
кризису (см. 6.3). Можно сказать и так: мы эксплуатируем те
энергоресурсы, которые сейчас дешевле и обращаться с ко-
торыми проще, несмотря на то, что ущерб для природы от
этого велик. Энтропийный кризис и связан с тем, что для
своего существования человечество использует невозобнов-
ляемые источники энергии, и пока это не изменится, любые
природоохранные мероприятия, а также утилизация отходов,
требующая значительных энергозатрат, будут приводить к
дальнейшему возрастанию энтропии и разрушению приро-
ды. Рост энтропии, характеризующий падение физического
качества энергии и вещества на Земле, служит источником
серьезной озабоченности уже в настоящем и тем более в бу-
дущем.

Из того, что мы говорили во второй и третьей главах, сле-
дует, что системы, производящие энтропию быстрее, имеют
больше шансов побеждать в эволюционной борьбе за жизнь.
Эволюция происходила таким образом, что наши предки,
участвуя в борьбе за существование, оказались не только по-
бедителями природы, но также и потребителями большего
количества ресурсов и, как следствие, активными разруши-
телями и загрязнителями окружающей среды. На словах
представитель индустриально развитого общества хочет со-
хранить и улучшить окружающую среду, однако на волне
конкурентной борьбы удерживаются те группы людей и

той, так как существуют только за счет огромных дополнительных энергоза-
трат, человеческого труда и разрушения биосферы в других местах.

1 Если бы вся биота была вдруг уничтожена, то окружающая среда из-
менилась бы за счет геофизических процессов только за сотни тысяч лет.

2 Вспомним о провозглашенных в нашей стране в 50-60-е гг. планах
преобразования природы.
страны, которые более активно эксплуатируют природу. Они
как бы оттягивают высококачественную энергию и материю
от остальных, дополнительно подавляя тем самым возможно-
сти своих соперников. Потреблять больше ресурсов стало не-
гласным лозунгом потенциальных победителей.

Рассмотрим простой пример. Фермер в Бангладеш, ис-
пользуя свою мускульную силу и силу животного, может про-
изводить 10 кал энергии на каждую затраченную калорию.
Это осуществляется в конечном итоге за счет высоконегэн-
тропийного солнечного излучения, а отходы в виде длинно-
волнового излучения отправляются в космическое простран-
ство. В итоге выигрыш для биосферы в 9 кал и отсутствие
загрязнений в основной части производственного цикла.
Американский фермер может производить в несколько сот
раз больше продукции, но на каждую калорию произведен-
ной энергии он использует не менее 10 кал высококачествен-
ной энергии. Успех последнего обусловлен огромной затратой
природных ресурсов и существенным загрязнением среды.
Первый способствует уменьшению энтропии, а второй рабо-
тает на энтропийный кризис.

Говоря об антропогенном воздействии на окружающую
среду, мы должны помнить, что ее самым уязвимым компо-
нентом является то, что часто называют ближним космосом
или околоземным космическим пространством. Согласно
принятому международным сообществом принципу устойчи-
вого развития, никакое антропогенное воздействие на при-
родную среду не должно изменять ее основные свойства и
функциональные особенности. Здесь же мы вплотную подо-
шли к границе нарушения этого принципа, и стали возмож-
ны глобальные изменения основных свойств околоземного
космического пространства и его функциональных особенно-
стей.

Опасность усугубляется крайней слабостью и уязвимо-
стью этой среды по сравнению с другими природными сре-
дами (океаном, приземной атмосферой), которым она значи-
тельно уступает и по массе содержащегося вещества и по
энергетике процессов. В то же время для освоения этой сре-
ды используются самые мощные технические средства.
Большая масса химически активных продуктов, выбрасы-
ваемых в верхнюю атмосферу в результате работы ракетных
двигателей, и выделяемая при этом огромная энергия созда-
ют мощные возмущения, которые распространяются на
большие расстояния. Эффекты имеют глобальный характер,
и к ним следует отнести нарушение естественного глобально-
го баланса водорода и изменения состояния ионосферы, на-
рушение энергетического баланса среды и изменения плот-
ности и температуры. Главным становится не «космический
мусор»1, а энергетика и выброс веществ.

Мы иногда слышим о фантастических планах освоения
космоса и переселении значительной части населения в него.
В действительности эти планы имеют как упомянутые выше
жесткие экологические ограничения, так и не менее жесткие
энергетические, так как запуск любого космического объекта
связан с огромными энергетическими затратами.

Мы не случайно уделили достаточно много места рас-
смотрению атмосферы (ионосферы и магнитосферы) как
среды, через которую любые внешние воздействия переда-
ются на поверхность Земли. Первые сто километров атмо-
сферы обладают значительной массой и являются сущест-
венно менее ранимой средой, чем ближний космос, о кото-
ром шла речь выше. Этот слой является и важнейшим фак-
тором, определяющим экологическую обстановку в различ-
ных регионах и ответственным за перенос поллютантов за
тысячи километров от их источников. Он играет ключевую
роль в развитии биологических и геофизических процессов.
Многие опасные для биосферы явления и долгосрочные из-
менения связаны с ним. Его газовые и аэрозольные компо-
ненты являются «телом», или средой, для переноса или
трансформации многих природных и антропогенных эффек-
тов.

Бесспорно, что все подобные эффекты нужно отслежи-
вать и помнить об их существовании. В этом плане работы
по изучению влияния антропогенной эмиссии парниковых
газов или изменению концентрации озона1 2 нужны. Но они не
должны осуществляться за счет других, не менее важных на-
правлений работ, из которых можно отметить проблемы, свя-
занные с кислотными дождями и загрязнениями суперэко-
токсикантами3. Глубокое понимание всех этих эффектов нё-

1 «Космический мусор» включает отработавшие космические аппараты,
последние ступени ракет носителей, разгонные блоки, отделяемые элементы
конструкций и т. п. Главными источниками образования фрагментов на
орбите являются взрывы космических аппаратов и ракетных ступеней. Об-
щая масса космического мусора к 2010 г. может составить от 3 до 7% от
глобальной массы газа верхней атмосферы выше 300 км, т. е. там, где толь-
ко мусор и может существовать.

2 Заметные колебания концентрации озона, по-видимому, связаны в
первую очередь с природными факторами.

3 К суперэкотоксикантам мы отнесем полициклические ароматические
углеводороды, хлордиоксины, полихлорированные бифенилы, такие тяжелые
возможно без дальнейших исследований фотохимических
процессов в тропосфере и стратосфере, без получения более
полных данных об атмосферном аэрозоле, без изучения
взаимодействий между биотой и атмосферой, а также воз-
действия пожаров на состав атмосферы. Биосфера является
уникальным и чрезвычайно сложным объектом, способным
содействовать регенерации последствий нарушений динами-
ческого равновесия в ней самой и в отдельных ее частях.
Экологическая наука в будущем должна быть способной ис-
следовать устойчивость динамики развития биосферных сис-
тем при различных внешних условиях и при различных воз-
действиях: природных и антропогенных.

В последнее время предпринимаются попытки разработ-
ки теории глобальных изменений биосферы, где в качестве
экспериментальных данных используются результаты иссле-
дований Земли из космоса. В ее основе лежит первичность
процессов биотической регуляции в сравнении с процессами,
обусловленными различными антропогенными выбросами.
Теоретическую основу призваны составить неравновесная
термодинамика, информатика, динамика систем и матема-
тика (математическое описание интегрируемых и неинтегри-
руемых систем, информационных мер и энтропийных мет-
рик). Ее результатом должно стать понимание таких осново-
полагающих категорий, как устойчивость биосферы, необра-
тимость природных процессов и предсказуемость возможных
изменений биосферы.

Это потребует и разработки более четких определений то-
го, что понимается под детерминированными и хаотически-
ми, устойчивыми и неустойчивыми системами, с тем, чтобы
извлечь из временных рядов наблюдений необходимую ин-
формацию. Конечно, в основе исследований биосферных
процессов должно быть представление о диссипативном хао-
се и тех процессах, которые были рассмотрены нами в треть-
ей главе учебника. Мы говорили там, что жизнь — неравно-
весный процесс и определенная стационарность состояния
биосферы поддерживается живыми организмами за счет
экспорта энтропии во внешнюю среду. Напомним, что, со-
гласно теореме Пригожина, производство энтропии в ста-
ционарном состоянии — наименьшее по сравнению с други-

металлы, как свинец, ртуть и кадмий и иногда радионуклиды. Все эти за-
грязнители являются ксенобиотиками и попадают в окружающую среду в
результате деятельности человека. Они могут приводить к различным болез-
ням, аллергии, нарушению генетического аппарата.
ми состояниями системы. Опасности, связанные с глобаль-
ными экологическими проблемами — антропогенными воз-
действиями на биосферу— обусловлены тем, что они могут
нарушить режим ее многолетней стационарности с возмож-
ными необратимыми последствиями. Поэтому и требуется
понимание существования биосферы как диссипативной
структуры, существующей вдали от положения равновесия и
находящейся под действием как внутренних флуктуаций,
так и внешних воздействий, которые в совокупности могут
вывести систему из стационарного состояния.

Последнее, о чем мы должны упомянуть, это проблемы
космических (в основном солнечных) влияний на живое: био-
сферу, организмы и здоровье человека. Наличие влияния
солнечной активности, например, на частоту сердечных за-
болеваний или несчастных случаев для многих медиков ка-
жется очевидным, а отсутствие механизмов, объясняющих
такое влияние, их никак не смущает. Подобные исследования
держатся на энтузиазме конкретных лиц, не подкрепленном
убедительными теоретическими обоснованиями, и на надеж-
де сразу получить, не изучив сложную природу отдельных
жизненно важных процессов, ценную информацию о функ-
ционировании всего организма. Так, ни предположения о
влиянии слабых постоянных или переменных магнитных по-
лей, ни гипотезы о биоритмологии не имеют какой-либо серь-
езной научной базы.

Неубедительными являются и сопровождающие подоб-
ные исследования статистические выкладки: коэффициенты
корреляции или периоды некоторых гармонических состав-
ляющих, получающихся из Фурье-анализа (или с помощью
других методов распознавания образов) каких-то случайных,
по сути дела, данных. На практике никто не имеет дела с ге-
неральной совокупностью, из которой и следует закон рас-
пределения, позволяющий сосчитать коэффициенты корре-
ляции. Даже не берутся выборки различной репрезентатив-
ности для осуществления проверки в смысле принятия или
непринятия того или иного закона распределения. Просто
неявно предполагается, что имеет место нормальное распре-
деление, и считаются, например, коэффициенты корреля-
ции. Заметим, что в действительности коэффициент корре-
ляции может быть очень близким к единице даже при рас-
смотрении групп совершенно не связанных между собой со-
бытий.

В этой области в настоящее время находит распростра-
нение и подход, неприемлемый в точных науках. Суть его со-
стоит в следующем. Сложность экосистем, не позволяющая
во многих случаях рассматривать лабораторный эксперимент
как метод их изучения, возводится в абсолют. Эксперимент и
теорию, требующих действительно огромных интеллектуаль-
ных и материальных затрат, предлагается заменить совре-
менными методами статистического анализа. Более того, ут-
верждается, что из подобного анализа может быть получена
информация, ничем не уступающая данным лабораторного
эксперимента. При этом полностью игнорируется то обстоя-
тельство, что объект не просто единичен, а уникален.

Бесспорным является то, что экология постоянно увели-
чивает набор факторов внешней среды, влияющих на орга-
низм. У нас нет никаких оснований исключить космические
факторы, и в этом плане проблема космических влияний на
биосферу оказывается разделом экологии. Однако для того,
чтобы подобный раздел действительно был признан и прино-
сил обществу пользу, необходимы серьезные исследования,
которые потребуют достаточно много времени.
Приложения

П1. Некоторые представления П. Тейяра де Шардена,
использованные нм прн создании учения о биосфере
и ее эволюции

Согласно П. Тейяру де Шардену, материя преисполнена
возможностями развития, выхода за пределы потенций, ко-
торые он на языке, характерном для натурфилософии про-
шлого века, иногда называет «божественными», или «транс-
цендентными». Существенно то, что отношение материи к
духу у него есть отношение первичности. Он не ставит во-
проса о сотворении материи, и его характерными высказы-
ваниями являются: «материя — мать духа, дух — высшее со-
стояние материи». Под такими высказываниями подписались
бы и классики марксизма. Философия Тейяра де Шардена —
это философия природы, продолжающая традиции натурфи-
лософии, а его позиция по общественным вопросам, как
правило, является позицией искреннего гуманиста-естество-
испытателя, предлагающего свои средства для лечения со-
временных конфликтов. В этом отношении позиции
В.И. Вернадского и Тейяра де Шардена очень близки.

Трактовка Тейяром де Шарденом материи в «Феномене
человека» естественно определяется интересующей его про-
блематикой: возникновением биосферы, ее эволюцией, при-
водящей к появлению Homo Sapiens и социума, их эволюци-
ей и образованием ноосферы, которая «разворачивается над
миром растений и животных — вне биосферы и над ней»1. В
главе Преджизнь мы читаем: «Глубокая атамичность уни-
версума наглядно проявляет себя в обыденном опыте. Согла-
сованность частей универсума всегда была предметом вос-
хищения людей. И эта согласованность по мере того, как
наука все более точно и глубоко изучает факты, оказывается

1 Курсив мой. — Г. Б.
все более удивительной. Чем дальше и глубже, с помощью все
более мощных средств, мы проникаем в материю, тем
больше нас поражает взаимосвязь ее частей». Для достаточ-
но широкого круга читателей он в смысле бесконечной и не-
уничтожимой основы мира часто употребляет термин «ткань
универсума», а материя иногда отождествлена с веществом.
Он использует термины универсум, ткань универсума в
смысле всего окружающего нас материального мира, Вселен-
ной, наполненной материей.

Эти представления о материи являются визитной кар-
точкой действительно серьезного ученого. Самому же Тейяру
де Шардену принципиально важно было разработать пред-
ставления (и терминологию) о связях и взаимодействиях от-
дельных объектов, в том числе и тогда, когда одинаковых
объектов очень много. Цель понятна — качественно и коли-
чественно описать эволюцию в природе во всем ее разнооб-
разии. В качестве первоосновы всех связей и движителя эво-
люции им была взята энергия (энергия взаимодействия).

Будучи человеком широко образованным и находясь в
курсе последних достижений в различных областях естест-
венных наук, он имел и достаточно современные представ-
ления о понятии энергия. Он писал: «С энергетической точки
зрения, обновленной явлениями радиоактивности, матери-
альные частицы могут теперь рассматриваться как времен-
ные резервуары сконцентрированной мощи. Энергия пред-
ставляет собой в настоящее время для науки наиболее при-
митивную форму ткани универсума. Отсюда инстинктив-
ное стремление нашего воображения рассматривать ее как
некий однородный первоначальный поток, а все, что в мире
имеет форму, — лишь как его мимолетные “вихри”». Действи-
тельно, энергия является наиболее примитивной формой
ткани универсума. Согласно стандартной теории1 образова-
ния Вселенной (глава 4), атомы и молекулы возникли только
после того, как Вселенная значительно «охладела».

У Шардена можно встретить и такие совершенно совре-
менные высказывания, как «множественность, единство,
энергия — таковы три стороны материи»; «энергия — третья
сторона материи. Под этим названием, психологически озна-
чающим усилие, физика ввела точное выражение способно-

1 Даже это открытие, весьма далекое от биологии, не прошло мимо его
внимания, н П. Тейяр де Шарден пишет: «В последнее время благодаря раз-
витию астрономии мы освоились с идеей, что универсум в течение несколь-
ких миллиардов лет (всего лишь!) как будто расширился от своего рода пер-
воначального атома до галактик».
сти к действию, или, вернее, к взаимодействию. Энергия —
это мера того, что переходит от одного атома к другому в хо-
де их преобразований. То есть — это способность к связям».
Продемонстрировав свою эрудицию, Шарден как бы невзна-
чай делает нужный ему поворот и начинает использовать
физическую терминологию для целей эволюционно-
биологической проблематики: «Пространство, заполненное
множеством частиц, не ведет себя как инертное вместилище,
а воздействует на них как направляющая и передающая ак-
тивная среда, внутри которой организуется это множество.
Это — сфера, лежащая над центрами и охватывающая их. В
каждой новой фазе антропогенеза1 мы будем встречаться с
трудно вообразимой реальностью коллективных связей, и
будем все время с ними бороться, пока не выясним и не оп-
ределим их настоящую природу. Вначале же достаточно обо-
значить их эмпирическим термином, присвоенным наукой
их общему исходному принципу, — обычным термином
"энергия”».

При рассмотрении многих проблем в биологии и в филосо-
фии пользуются аналогиями, почерпнутыми или просто из на-
блюдений окружающего мира или из физических наук. При
анализе глобальных экологических проблем и попытках ввести
аксиоматизацию обычно заимствуют законы и принципы из
биологии, химии и физики, строго не доказывая правомочность
этого. Такой же тактики придерживался, например, и В.И. Вер-
надский при рассмотрении биосферы. Он так же, как и Тейяр
де Шарден, использовал энергетические термины, не имеющие
четкого количественного содержания.

Безусловно, переход от физической терминологии к эволю-
ционно-биологической с неизбежностью порождает введение
ряда терминов «сомнительного» качества, т. е. неоднозначных и
количественно не измеряемых. Тейяр де Шарден, потративший
на обдумывание этой проблемы много сил, с сожалением вы-
нужден был констатировать: «Нет более привычного для нас
понятия, чем духовная энергия Но нет также и более неясного с
научной точки зрения С одной стороны, объективная реаль-
ность психического усилия и психического труда столь хорошо
установлена, что на ней основывается вся этика. А с другой
стороны, природа этой внутренней силы столь неуловима, что
за ее пределами оказалось возможным построить всю механи-

1 Под антропогенезом в данном случае понимается происхождение че-
ловека, становление его как вида, т.е. процесс историко-эволюционного
формирования человечества.
ку». Подобные же проблемы интересовали и В.И. Вернадского.
Он пишет, например: «...перед нами встала новая загадка.
Мысль не есть форма энергии. Как же может она изменять ма-
териальные процессы?». Или: «Научная мысль как геологическое
явление».

Что касается Тейяра де Шардена, то у него мы читаем:
«Особенно раздражает наш разум, как тонкое острие проблемы
духовной энергии, постоянно присутствующее в нас ощущение
одновременной зависимости и вместе с тем независимости на-
шей деятельности от сил материи. Прежде всего зависимость.
Очевидность этого факта подавляюща и великолепна. «Чтобы
мыслить, надо есть. В этой грубо экономической формулировке
выражается — смотря с какой стороны подходить— тирания
или, наоборот, духовная мощь материи. Известно, что самая
отвлеченная мысль, самая горячая любовь сопровождаются и
оплачиваются расходом физической энергии.

Вне всякого сомнения, материальная и духовная энергии
чем-то связаны между собой и продолжают друг друга. В
самой основе каким-то образом должна существовать и дей-
ствовать в мире единая энергия. Но едва возникнув, эта
столь привлекательная идея непосредственного превращения
одной энергии в другую должна быть отвергнута. Взаимная
независимость энергий обнаруживается с неменьшей оче-
видностью, чем их связь, как только мы пытаемся их объеди-
нить. Обе энергии — физическая и психическая, — находя-
щиеся соответственно на внешней и внутренней сторонах
мира, выглядят в целом одинаково. Они постоянно соедине-
ны и некоторым образом переходят одна в другую. Но при-
вести в простое соответствие их кривые представляется не-
возможным.

Уже этой количественной диспропорции достаточно, что-
бы отбросить слишком простую идею “изменения формы”
(или непосредственного превращения), а вместе с тем и на-
дежду найти когда-либо “механический эквивалент” воли
или мысли. Энергетическая зависимость между внутренним
и внешним вещей неоспорима. Но, очевидно, она может вы-
разиться только с помощью сложной символики, где должны
фигурировать величины различных порядков».

Эта сложность символики, конечно, не явилась непреодо-
лимым препятствием для ученого при построении схемы эво-
люции. Поэтому он вводит два необходимых ему для всего
текста «Феномена человека» термина— тангенциальную и
«радиальную» энергии. Он предлагает допустить, «что по су-
ществу всякая энергия имеет психическую природу. Но ого-
воримся, что в каждом элементе-частице эта фундаменталь-
ная энергия делится на две составляющие: тангенциальную
энергию, которая связывает данный элемент со всеми други-
ми элементами того же порядка (т. е. той же сложности и той
же “внутренней сосредоточенности”), и радиальную энергию,
которая влечет его в направлении все более сложного и внут-
ренне сосредоточенного состояния1.

Таким образом, представления Тейяра де Шардена о ду-
ховной, тангенциальной или радиальной энергиях это не бо-
лее чем методологические приемы, некоторая «символика»
или аналогия, взятая у неживой природы. Если эта аналогия
поможет автору, то это неплохо, так как описать жизнь в
рамках естественных наук мы не умеем. Говоря на совре-
менном языке, это необходимо автору для построения модели
эволюции. Оправданием такого подхода может, в конечном
итоге, служить и то, что даже сегодня на рубеже тысячелетий
и даже среди физиков никто не может просто и ясно сфор-
мулировать, что такое энергия.

Хотя Тейяр де Шарден был священником-иезуитом, но при
чтении его книги это обстоятельство «остается за кадром». Его
рассмотрения не менее материалистические, чем у Вернадско-
го. Используемый им термин «дух», как методический прием,
хорошо вписывается в контекст его изложения. Исключение
составляет только самый конец книги, который является данью
религиозным воззрениям автора, выпадает из общего контек-
ста, а сейчас имеет только исторический интерес.

В настоящее время экологические проблемы находятся в
центре внимания самых широких слоев общества и, конечно,
верующих людей и священнослужителей. Иногда при анализе
экологической ситуации и особенно глобальных экологиче-
ских проблем можно встретить д аже определенное отрицание

1 Согласно П. Тейяру де Шардену, «чем меньше элемент сосредоточен
(чем слабее его радиальная энергия), тем в более мощных механических эф-
фектах проявляется его тангенциальная энергия. У сильно сосредоточенных
частиц (т. е. частиц с высокой радиальной энергией) тангенциал кажется
“ушедшим внутрь” и исчезнувшим. Здесь, по-вцдимому, заключен вспомога-
тельный принцип для объяснения видимого сохранения энергии во Вселен-
ной. Очевидно, следует различать два вида тангенциальной энергии: один
вид— энергия излучения (с максимумом при очень малых радиальных зна-
чениях — случай атома); другой вид — энергия организации (заметная лишь
при больших радиальных значениях — случай живых существ, человека). В
этом рассуждении, где тангенциальная энергия— это просто “энергия”,
обычно принимаемая наукой, единственная трудность состоит в том, чтобы
объяснить образование тангенциальных комбинаций в соответствии с зако-
нами термодинамики».
научного знания и замену его априорным «видением» про-
блем. И в этом отношении произведение Тейяра де Шардена
представляется особенно полезным. Бурное развитие науки
за 50 лет, прошедших после появления монографии «Феномен
человека», не поколебало основных представлений, сформу-
лированных в ней.

П2. Системы единиц, основные параметры
н константы

Основой любой из естественных наук являются измере-
ния и наблюдения. Любые измерения предполагают наличие
определенной системы измерений, краеугольным камнем ко-
торой является система единиц. Исторически сложилось так,
что в науке, технике, промышленности и торговле образова-
лись свои системы единиц, удобные для решения практиче-
ских вопросов в данной отрасли и полностью или частично
неудобные другим. В I960 г. на XI Генеральной конференции
по мерам и весам было принято решение о полном переходе
к Международной системе единиц СИ.

Из этого совершенно не следует, что начиная с этого вре-
мени все и везде начали пользоваться только этой системой
единиц. В научной и учебной литературе, и особенно в области
экологии, которой интересуется сейчас чрезвычайно широкий
круг специалистов, можно и сегодня встретить данные, пред-
ставленные в других системах измерений, например в рацио-
нальной системе, Джорджи или МКС, СГС (CGSE). Более того,
иногда в одной работе приводятся данные, соответствующие
разным системам единиц. В системе СИ основными величина-
ми являются: длина, масса, время, сила электрического тока,
термодинамическая температура, количество вещества и сила
света. В качестве единиц измерения этих величин взяты:
метр — м, килограмм — кг, секунда — с, ампер — А, кельвин —
К, моль — моль и кандела — кд.

Несомненным достоинством системы СИ является то, что
производные единицы — работа и сила — в этой системе бо-
лее удобны для практических расчетов и проще связаны с
электрическими и магнитными величинами, чем в системе
СГС, распространенной когда-то среди ученых.

Нужно отметить, что наиболее сложно обстоят дела с
представлением самого важного понятия — энергии. В сис-
теме СИ энергия измеряется в джоулях (Дж или J). Джоуль —
это работа, производимая силой 1 ньютон при перемещении
точки ее приложения на 1 метр; при каждом ударе человече-
ского сердца затрачивается энергия ~ 1 Дж. Наравне с джо-
улем в системе СИ для описания явлений на атомном или
ядерном уровнях допускается единица электронвольт (эВ).
Электронвольт (1 эВ = 1,602-10-19 Дж)— это энергия, кото-
рую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в
один вольт. Среди множества единиц, используемых для из-
мерения энергии, в научной литературе по экологической те-
матике можно встретить: эрг, калория — кал, ватт-час, тонна
условного топлива, лошадиная сила-час (л.с.ч.), фунт-сила-
фут (lbf-ft) и т. д.

Иногда энергию характеризуют просто с помощью тем-
пературы, особенно в тех случаях, когда мы имеем дело с из-
лучением черного тела, например звезды, или с энергией теп-
лового движения атомов или молекул. В этом случае имеется
в виду то, что Е ~ к-Т, где к — постоянная Больцмана. Для
неспециалиста ситуацию может существенно усложнить то
обстоятельство, что иногда массу оказывается удобным вы-
ражать не в граммах, а в энергетических ее эквивалентах. В
этом случае Е = m-с2. В качестве полезных приведем соотно-
шения между некоторыми из единиц измерения энергии:

1 Дж = 107 эрг = 6,24-1018 эВ = 0,23884 кал = 0,102 кгс-м =
= 2, 78-10-4 Вт-час;

1 эВ = 1,602-Ю-19 Дж = 1,602-Ю-12 эрг = 1,16-10* К.

Единицей мощности является ватт (Вт, W). Ватт— это
джоуль в секунду [м2-кг-с-3].

Кроме того, часто встречаются несистемные единицы:
лошадиная сила, л. с., 1 л. с.= 735,5 Вт и калория в секунду,
кал-с-1, 1 кал-с-1 = 4,187 Вт.

При рассмотрении многих вопросов, особенно эволюции
Вселенной, энергетических ресурсов, радиоэкологии, незави-
симо от выбранной системы единиц, нам приходится иметь
дело с величинами, очень значительно отличающимися друг
от друга. Рассматриваемая величина, например масса Зем-
ли — ЛГ®, записывается в этом случае не как 5,976 миллионов
миллиардов миллиардов килограмм, а в экспоненциальном
виде, т. е. ЛГ® = 5,976-1024 кг. Такой формы записи мы и бу-
дем придерживаться в большинстве случаев. Однако если
показатель степени не очень велик, на практике используют
десятичные приставки, которыми иногда будем пользоваться
и мы. Стандартизированные десятичные приставки приве-
дены в табл. Ш.
Таблица П1. Множители и приставки для образования десятичных,
кратных и дольных единиц и их символы

Множи- тель	При- ставка	Символ		Мно- жи- тель	При- ставка	Символ	
		междуна- родный	Рус- ский			междуна- родный	Рус- ский
10*«	экса	Е	Э	ю-18	атто	а	а
1015	пета	Р	П	10-‘5	фемто	f	ф
10'»	тера	Т	Т	10-12	ПИКО	р	п
10®	гига	G	Г	ю-®	нано	п	н
106	мега	М	М	10-6	микро	р	МК
103	кило	к	К	1СН	милли	m	м
102	гекто	h	г	10-2	санти	с	с
101	дека	da	да	10-1	дени	d	д

Помимо электронвольта еще ряд внесистемных единиц
допускается к применению наравне с единицами СИ. Наибо-
лее часто употребляемые в экологической литературе внесис-
темные единицы приведены в табл. П2.

Таблица П2. Внесистемные единицы, допускаемые к применению на-
равне с единицами СИ

Величи- на	Единица			Соотношение с единицей СИ
	Единица измерения	Обозначение		
		Междуна- родное	русское	
Масса	Тонна  Атомная един, массы	t а. т. и.	T a. e. m.	10экг 1,66057-10-27 кг 931,494 МэВ
Время	Минута Час Сутки Год	Min h d  У	мин 4 сут ГОД	60 с 3600 с 86400с 3,15569-107 с
Объем	Литр	L	л	IO^m3
Длина	Астрономическая един.  Световой год Парсек	u. a. iy pc	а. е.  св. год  ПК	1,49598-10й м  9,4605- 10,sm  3,0857- 10,6м
Площадь	Гектар	ha	га	104м2
Энергия	Электронвольт	eV	эВ	1.60219-10*1® Дж

Для проведения различных оценок необходимы значения
фундаментальных физических констант (табл. ПЗ). Заметим,
что многие из констант известны с огромной точностью. Для
экологических целей вполне достаточна точность порядка
0,1-0,2%.
Таблица ПЗ. Фундаментальные физические константы, их обозначе-
ния, численные значения и размерность

Наименование константы	Обозначение	Численное значение	Размерность
Скорость света в вакууме	С	3-10*	М-C"2
Планка постоянная	h	6,626-IO-34	Дж-с [м2-кг-с-‘]
Гравитац. постоянная	G	6,6726-10-“	мЗ-КГ*-С-2
Планковская масса	mp’ (hc/G)1'2	- 2,177-10-*	кг
Планковская длина	fc- (G Л/с3)1/2	- 1, 616-10-3S	м
Планковское время	t₽- (G П/с®)1/2	- 5, 39-10-“	с
Масса электрона	rru	- 0,5110034 0,00054858026	МэВ а. е. м.
Масса протона	Mp	- 1,67-IO-27 938,28 1,007825037	кг МэВ а. е. м.
Масса нейтрона	M„	- 939,57 1,008665012	Мэв а. е. м.
Авогадро постоянная	Na	- 6,022-1023	МОЛЬ”1
Атмосфера стандарт- ная		1,013-10s 760  1,01325	Па (Н м-2]  Тор бар
Больцмана константа	к	- 8,61-10-5	эВ-К'1
Универсальная газо- вая постоянная	R	-8,31	Джмоль^К-1
Стефана-Больцмана постоянная	св - n^/eOcW	- 5,67-10-*	Вт-м-2-К*4 [кг-с-з-К-4]
Ускорение силы тяжести	9	- 9,806	М-С-2

ПЗ. Параметры и константы,
характеризующие окружающий нас мир

. Для рассмотрения процесса возникновения и эволюции
Вселенной, Солнечной системы, Земли и биосферы нам будут
нужны некоторые астрофизические константы, параметры
планет и их компонентов.

Таблица П4. Некоторые астрофизические константы

Постоянная Хаббла — Н	lOO-hKM-c-1-Мпкг1 (h- 0,5-0,9), мы взяли h » 0,57
Время Хаббла — to	0,9778-10«>-/г* лет
Расстояние Хаббла — Ro	2,9979 -IO3-ft-‘Мпк
Критическая плотность — ре,	6- 1О-27 кг-м-з
Средняя плотность вещества галак- тик— ро	(Ю-23-10-28 КГ-М-З
Объемная плотность галактик — Ус	0,02 h2 Мпк*3
Таблица П6. Некоторые параметры планет, их основных спутников и восьми астероидов

Планета, спутник планеты или астероид	Экваториаль- ный диа- метр!, км	Масса, Afea или кг	Средняя плот- ность, т/м3	Периоды вращения		Среднее рас- стояние (а.е. для планет, 103 км для спутников)	Наклон орбиты к эклиптике3, град.	Эксцент- риситет
				Экваториаль- ный4, сут	Орбитальный, сут (если не указаны годы)			
Меркурий	4 878	0,055	5,42	58,65	0,2408 лет	0,387	7,0	0,206
Венера	12 102,6	0,815	5,245	243,01s	0,6152 лет	0,723	3,39	0,007
Земля	12 756,28	1,00	5,518	1,00 (23,9345 ч)	1,000 год (365,256 сут)	1,000	0,00	0,017
Марс	6 786	0,108	3,95	1,02	1,881 лет	1,524	1,85	0,093
Юпитер6	142980	317,9	1,326	0,41	11,86 лет	5,20	1,31	0,0485
Сатурн	120536	95,2	0,69	0,43	29,46 лет	9,55	2,49	0,056
Уран	51 120	14,53	1,276	0,72s	84,01 лет	19,19	0,77	0,047
Нептун	49 538	17,1	1,64	0,76	164,8 лет	30,1	1,78	0,009
Плутон	2350	0,0022	2,03	6,39s	248 лет	39,5	17,15	0,248

Спутник Земли

Луна ]	3 476	| 0,0123 | ЗД4 | с |	27,32	|	384	|	5Д4	| 0Д5

—

1	Для спутников, имеющих неправильную форму, в таблице приведены их эффективные размеры.

2	Ms = 5,976(24) кг = 5,976-1024 кг, для всех спутников, кроме Луны в кг.

3	Для спутников, как правило, дается наклон к плоскости Лапласа, т. е. к плоскости, по отношению к которой плоскость
прецессирующей орбиты спутника планеты имеет постоянное наклонение.

4	с — синхронное вращение.

5	обр — вращение в обратном направлении.

6	Экваториальные диаметры планет-гигантов даны на уровне атмосферного давления, равного 1 атм.
Спутники Марса

Фобос (Phobos)	26,6-22,2-18,6 (сред, радиус 11,03)	1,08(16)	1.9	С	0,319	9,38	1,02	0,015
Деймос (Deimos)	15-12,2-10,4  (сред, радиус 6,2)	1.8(15)	1,8	с	1,262	23,46	1,82	0,0005

Спутники Юпитера (сейчас известно 16)

Метила (ЛХ Metis)	40			С	0,295	128	-0	<0,004
Адрастея (JXV Adrastea)	12,5-10-7,5				0,298	129	-0	-0
Амальтея (JV Amalthea)	135-83-75		2-3,5	с	0,4981	181,3	0,40	0,003
Теба (JXIV Thebe)	(55-45)				0,675	222	0,8±0,2	0,015±0,00б
Ио (Л 1о)	3 630	8,94(22)	3,57	1,769	1,769	421,6	0,04	0,004
Европа (Л I Europa)	3 140	4,80(22)	2,97	3,551	3,551	671	0,47	0,0101-Ю-1
Ганимед (ЛИ Ganymede)	5 260	1,482(23)	1,94	7,155	7,155	1 070 1	0,195	0,0006- 0,0015
Каллисто (JIV Callisto)	4 800	1,075(23)	1,86	16,689	16,689	1 883	0,28	0,007
Леда (J XIII Leda)	16				238,7	11 094	27	0,148
Гамялия (JVI H-imatia)	186				250,6	11 480	28	0,158
Лиситея (JX Lisithea)	40				252,2	11 720	29	0,107
Элара (JVII Elara)	76				259,7	И 740	28	0,207
Ананке (JXII Ananke)	30				631(обр)	21 200	147	0,16
Карме (JXI Саппе)	40				692(обр)	22 600	163	0,207
Пасифе (JVIII Pasiphae)	70				735(обр)	23 500	147	0,378
Синопе (ЛХ Sinope)	36				758(обр)	23 700	153	0,275

Продолжение таблицы Пб

Спутники Сатурна

Пан (SXIIX Pan)	20				0,58	134	0,00	0,00
Атлант (SXVII Atlas)	38-28				0,60	138	0,00	0,00
Прометей (SXVI Prometheus]	144-100-68				0,61	139	0,0	0,00
Пандора (SXV Pandora)	150-100-60				0,63	142	0,00	0,00
Эпиметей (SXI Epimetheus)	135-110-110				0,69	151	0,34	0,01
Янус (SX Janus)	195-190-150			c	0,695	151,47	0,14± 0,05	0,01
Мимас (SI Mimas)	420-400-395	3,8(19)	1,17	c	0,94	185,15	1,5	0,020
Энцелад (SH Enceladus)	500	6,5(19)	1,17	c	1,37	238	0,02	0,004
Тефия (Sin Tethys)	1070-1050-1050	7,6(20)	l,00±0,02	c	1,89	294,7	1,09	0,00
Телесто (SXIII Telesto)	?-24-22				1,89	294,7	-0	-0
Каллипсо (SXIV Calypso)	3018-16				1,89	294,7	-0	~0
Диона (SIV Dione)	1200	1,05(21)	l,43±0,04	c	2,74	377,4	0,02	0,002
Елена (SXII Helene)	30				2,74	377,4 -	0,0	0,005
Рея (SV Rhea)	1 530	2,5(21)	1,24	c	4,52	527	0,35	0,001
Титан (SVI Titan)	5 150	1,35(23)	1,88	15,95	15,95	1 222	0,33	0,029
Гиперион (SVII Hyperion)	350240-200			хаотич.	21,28	1 481	0,4	0,104
Япет (SVIII Iapetus)	1 440	1,82(21)	l,16±0,09	c	79,33	3 561	14,7	0,028
Феба (SIX Phoebe)	230-220-210			(9,4±0,2) ч	550,5 обр	12 952	175	0,163
422		423

Спутники Урана1 (на начало 2000 г. обнаружено 22 спутника)

Миранда (UV Miranda)	480;  480-460-460	0,71(19)	1,26	С	1.41	130	4,22	0,0027
Ариель (UI Ariel)	1158;  1160-1155-1155	1,44(21)	1,65	с	2,52	191	0,31	0,003
Умбриэль (UI1 Umbriel)	1170	1,18(21)	1,44	с	4,14	266	0,36	0,005
Титания (UIII Titania)	1578	3,43(21)	1,59	с	8,71	436	0,14	0,0022
Оберон (UIV Oberon)	1 550	2,87(21)	1,50	с	13,46	583	0,10	0,0008

Спутники Нептуна

Наяда (Naiad)	55				0,29	48	4,74	0,0003
Таласса (Thalassa)	80				0,31	50	0,21	0,0002
Деспина (Despina)	180				0,33	53	0,07	0,0001
Галатея (Galatea)	150				0,437	62	0,05	0,0001
Ларисса (Larissa)	190				0,55	74	0,20	0,0014
Протей (Proteus)	416;  430-420-395				1,12	118	0,04	0,0004
Тритон (NI Triton)	2700	2,1(22)	2,1	с (обр)	5,88 обр	355	159	0,00
Нереида (NII Nereid)	340				360	5 513	27,6	0,753

Харон

Спутник Плутона

Т183	| 1,9(21) | 2,03 | 6Д9 |	639	| 19,64 |	983 I 03

1 Здесь не указаны И обнаруженных до 1997 г. малых спутников с диаметрами от 25 км в случае Корделии (Cordelia,
расстояние до Урана 49 750 км, орбитальный период 0,34 дня) до ~ 150 км в случае Эльфа (Puck, расстояние до Урана
~ 86 010 км, орбитальный период - 0,76 дня). Не указаны также и 5 самых дальних от Урана спутников, обнаруженных в
1997-1999 гг.

Окончание таблицы Пб

Некоторые астероиды1

Церера (Ceres, 1)	935	1,18(21)	2,7	0,38	1 681	2,767	10,6	0,079
Паллада (Pallas, 2)	535	2,16(20)	2,6	0,40	1 684	2,767	34,8	0,235
Юнона (Juno, 3)	250			0,30	1 594	2,670	13,0	0,256
Веста (Vesta, 4)	520	2,76(20)	3,3	0,22	1 325	2,361	7,1	0,088
Ида (Ida, 243) Дактил (Dactyl)	56-24-21  1,2-1,4-1,6		2,2-2,9	Астероид S-типа, основу составляют силикаты, поверхность покрыта кратерами				
Ганимед (Ganymede, 1036)	41							
Географ (Geographos, 1620)	5,1-1,8							
Toutatis (4179)	4,6-2,4-1,9							

1 Рядом с названием астероида дан его порядковый номер.
Таблица П7. Некоторые параметры, характеризующие условия
иа поверхности планет

Планета	Давление на поверх., атм	т.л к	Основные газы	Ускорение свободного падения, мс1	Н, км
Меркурий	-210-*5	- 441	Не (-0,98)  Н (0,02)	3,95	229
Венера	90	-230	СОа (0,95) N3 (0,035)	8,88	15
Земля	1	-255	Na (0,78) Оа(0,21)	9,78	8,4
Марс	0,007	-211	СОа (0,95)  Na (0,027)	3,73	11
Юпитер	1	- 110	На (86,1%)  Не (13,8%)	23,20	40
Сатурн	1	-83	На (92,4%)  Не (7,4%)	8,77	
Уран	1	-57	На (-0,89)  Не (-0,11)	9,46	
Нептун	1	-46	На (-0,89)  Не (-0,11)	13,70	
Плутон	(5-20)-10-6	-38	СН«	0,72	

Для планет-гигантов указаны значения Tefj после вычета
внутреннего теплового потока; наблюдаемые значения Teff
равны: Юпитера — 129,4; Сатурна — 97,0; Урана — 58; Неп-
туна — 56 К.

Н = kTsurf/(mg) — это масштабный фактор, описывающий
скорость убывания давления с высотой, и иногда он называ-
ется приведенной высотой атмосферы, где т— масса час-
тиц, д — ускорение свободного падения.
Таблица П8. Распространенность элементов на Солнце в Земле.

Распространенность кремния в обоих случаях равна 106
(Encyclopaedia Britannica, 1996)

Элемент	Солнечная система	Земля	Эффективность аккреции, %
Водород	27 000 000 000	9 500	0,00 003
Гелий-4	2 200 000 000	0,00005	0,000 000 000 002
Углерод	12 000 000	360	0,003
Азот	2 500 000	79	0,003
Кислород	20 000 000	3 400 000	17
Неон-20	3 300 000	0,000093	0,000 000 003
Магний	1 100 000	1 100 000	100
Сера	520 000	98 000	19
Аргон-36	88 000	0,00018	0,0 000 002
Аргон-40	0,55	0,05300	Образован из калия-40
Железо	900 000	1 200 000	133
Криптон-84	26	0,0 000 036	0,0 000 036

Распространенность показывает, сколько атомов данного
элемента (или изотопа благородного газа) сопутствует мил-
лиону атомов кремния. Так, например, на Солнце изотопов
20Ne в 3,3 раза больше, чем кремния, а на Земле их доля со-
ставляет всего 9,3-1О11.

Таблица П9. Некоторые параметры, связанные с Землей

Экваториальный радиус, Ra	6 378,14 км
Радиус шара с объемом, равным земному	- 6371 км
Площадь планеты	5,1-10мм2
Площадь суши	1,49-10м м2
Площадь океана	3,61-10'“ м2
Объем	1.08-102' м3
Масса Земли, Ма	5,976-102“ кг
Средняя плотность Земли, р«	5,518 т-м-3
Масса атмосферы	5,1-Ю18 кг
Масса льда	(25-30)-10“ кг
Масса океанов	1,4-102'кг
Масса коры	2,85-IO22 кг
Масса мантии	4,05-102“ кг
Масса ядра	1,9-102“ кг
Орбитальный период	365,256 сут = сидерический год
Средняя орбитальная скорость	29,78 км-с->
Скорость врашрния на экваторе	0,465 км-сг'
Эксцентриситет орбиты	0,0167
Наклон орбиты к плоскости эклиптики	0,000°
Наклон экватора к орбите	23,45°
Угол наклона магнитной оси к экватору	11,5°
Ротапионная энергия	2,137-1029Дж
Угловая скорость вращения, Ле	7,29-10~5 радиане’1
Период вращения	23,9345 час.
Увеличение периода вращения	2,40-10"3 с- (столетие)-1
Рассеяние приливной энергии системы Земля — Луна, cLE/dt	-41012 Вт
СКОРОСТЬ ОТрЫВа. Vesc	11.19 км-c-1
Магнитное поле на экваторе	0,310-5Тл
Дипольный момент	7,9.10-23 Там3
Эффект, темпер, поверхности, T9SUrf	288 К
Эффект, темпер, излучения,	255 К
Средняя плотность верхних горизонтов земной коры	2,75 т м-3

Таблица П10. Основные характеристики оболоней Земли
(согласно Г.В. Войткевичу (1988))

Оболочка	Интервал глубин, км	Интервал плотности, т-м-3	Доля от объема Земли, %	Масса, 1022КГ	Масса, %
Кора1 А	0-33	2,7-3,0	1,55	5	0,8
В	33-400	3,32-3,65	16,67	62	10,4
Мантия С	400-1000	3,65-4,68	21,31	98	16,4
D	1000-2900	4,68-5,69	44,28	245	41,0
Е	2900-5000	9,40-11,5	15,6		
Ядро F	5000-5100	11,5-12,0	0,28	188	31,5
G	5100-6371	12,0-12,3	0,76		

Здесь: В— верхняя мантия, С— переходный слой, D —
нижняя мантия, Е— внешнее ядро, F— переходный слой,
G— внутреннее ядро. Эти главные оболочки некоторые ав-
торы разбивали на подзоны. В частности, в верхней мантии
выделялись подзоны В1 (15 — 33 — 60 км) и В11 (60 — 350 —
400 км), а в переходной зоне — О (350 — 400 — 650 км) и О1
(650 — 900 — 1000 км). В нижней мантии распределение
сейсмических скоростей также имеет свои особенности, что
позволило разбить ее на два слоя: D1 и Dn. При этом послед-
ний располагается на границе с ядром в интервале глубин
2700-2900 км. В ядре также выделяются различные оболоч-
ки.

1 В настоящее время усредненная толщина земной коры принимается

- 17-20 км. Соответственно, меньше ее объем и масса.
Таблица П11. Возможный усредненный состав ободочек Земли
(Encyclopaedia Britannica, 1996; ‘К. Haus Wedepohl, 1995)

Химиче- ское со- едине- ние	Средний состав (массовые проценты)				
	Океаниче- ская кора	Континен- тальная кора	Континен- тальная кора*	Мантия, 83% объема, 67% массы	Ядро
SiOa	49,5	57,3	61,5	45,0	Fe - 90%, S и О ~ 5-10%; другие вероятные компоненты: Ni, Si, Н.
TiOa	1,5	0,9	0,68	0,2	
AI2O3	16,0	15,9	15,1	4,5	
СГ2О3	—	—	—	0,4	
Fes Оз	10,5	9,1	6,28	7,6	
МпО	—	—	0,10	0,1	
NiO	—	—	—	0,2	
MgO	7,7	5,3	3,7	38,4	
СаО	11,3	7,4	5,5	3,3	
NaaO	2,8	3,1	3,2	0,4	
К2О	0,2	1Д	2,4	0,01	
P2OS		—	0,18	—	
Таблица П12. Распространенность элементов (кроме технеция, прометия и благородных газов)
в некоторых геохимических объектах,
выраженная в массовых процентах, если указано, и в миллионных долях, если не указано (Encyclopaedia Britannica, 1996;

К. Hans Wedepohl, 19951)

Атомный номер, элемент и символ		Земная кора в целом	Лунный грунт (Аполло- 11)	Хонд- риты С1	Конти- ненталь- ная кора1	Атомный номер и элемент		Земная кора в целом	Лунный грунт (Аполло-11)	Хонд- риты С1	Конти- ненталь- ная кора1
1. Водород	(Н)	0,14%	200	2,2%	1,0%	45. Родий	(Rh)	0,005	—	0,2	0,00006
3. Литий	(Li)	20	12	1.3	18	46. Палладий (Pd)		0,01	0,006	0,6	0,0004
4. Бериллий (Be)		2	2	0,04	2,4	47. Серебро	(Ag)	0,05	0,008	0,4	0,05
5. Бор	(В)	10	2	5	И	48. Кадмий	(Cd)	0,2	0,004	1.0	5
6. Углерод	(С)	250	0,014%	3,7%	1990	49. Индий	(In)	0,05	—	0,09	0,05
7. Азот	(N)	20	0,01%	0,27%	60	50. Олово	(Sn)	3	0,6	1,6	2,3
8. Кислород	(О)	46,6%	40,0%	45,3%	47,2%	51. Сурьма	(Sb)	0,2	0,007	0,15	0,5
9. Фтор	(F)	0,065%	0,014%	0,019%	525	52. Теллур	(Те)	0,01	0,02	3,3	-0,005
И.Натрий	(Na)	2,8%	0,33%	0,55%	2,36%	53. Иод	(I)	0,5	—	0,6	1
12. Магний	(Mg)	2,1%	4,5%	9,6%	2,20%	55. Цезий	(Cs)	2	0,10	0,19	3,4
13. Алюминий (А1)		8,1%	5,6%	0,85%	7,96%	56. Барий	(Ba)	0,04%	0,02%	4	584
14. Кремний (Si)		27,7%	19,2%	10,3%	28,8%	57. Лантан	(La)	30	18	0,19	30
15. Фосфор	(Р)	0,07%	0,05%	0,14%	757	58. Церий	(Ce)	60	54	0,63	60
16. Сера	(S)	0,026%	0,17%	6,2%	697	59. Празеодим (Рг)		8	11	0,09	6,7
17. Хлор	(Cl)	0,013%	14	0,26%	472	60. Неодим	(Nd)	30	46	0,42	27
19. Калий	(К)	2,6%	0,14%	0,05%	2,14%	62. Самарий	(Sm)	6	15	0,13	5,3

20. Кальций	(Са)	3,6%	8,0%	1,06%	3,85%	63. Европий	(Ей)	1	1,9	0,05	1,3
21. Скандий	(Sc)	20	75	5	16	64. Гадолиний (Gd)		5	20	0,24	4,0
22. Титан	(Ti)	0,44%	5,9%	0,04%	0,401%	65. Тербий	(ТЬ)	1	3,6	0,04	1
23. Ванадий	(V)	0,014%	50	57	98	66. Диспрозий (Dy)		3	25	0,22	3,8
24. Хром	(Cr)	0,01%	0,21%	0,22%	126	67. Гольмий	(Но)	1	4,9	0,06	1
25. Марганец (Мп)		0,095%	0,19%	0,17%	716	68. Эрбий	(Ег)	3	14	0,14	2,1
26. Железо	(Fe)	5,0%	14,3%	18,4%	4,32%	69. Тулий	(Тт)	0,5	1,9	0,02	1
27. Кобальт	(Co)	25	25	0,048%	24	70. Иттербий	(Yb)	3	13	0,13	2,0
28. Никель	(Ni)	70	15	1,04%	56	71. Лютеций	(Lu)	0,5	1,9	0,02	1,7
29. Медь	(Cu)	50	11	0,014%	25	72. Гафний	(Hi)	3	13	0,26	4,9
30. Цинк	(Zn)	70	15	0,032%	65	73. Тантал	(Та)	2	1,7	0,02	1,1
31. Галлий	(Ga)	15	4,5	10	15	74. Вольфрам (W)		1	0,3	0,14	1,0
32. Германий (Ge)		1.5	0,1	34	1,4	75. Рений	(Re)	0,001	—	0,04	0,0004
33. Мышьяк	(As)	1,8	0,05	2,0	1,7	76. Осмий	(Os)	0,005	—	0,45	0,00005
34. Селен	(Se)	0,1	0,8	27	0,12	77. Иридий	(Ir)	0,001	—	0,40	0,00005
35. Бром	(Br)	2,5	0,1	5	1,0	78. Платина	(Pt)	0,01	—	0,9	0,0004
37. Рубидий	(Rb)	90	3,4	2,3	78	79. Золото	(Au)	0,005	—	0,18	0,0025
38. Стронций (Sr)		0,039%	0,017%	8	333	80. Ртуть	(Hg)	0,08	—	1	0,04
39. Иттрий	(Y)	30	0,012%	1,6	24	81. Таллий	(TI)	0,5	—	0,14	0,1
40. Цирконий (Zr)		0,017%	0,03%	11	203	82. Свинец	(Pb)	13	1,2	2,9	14,8
41. Ниобий	(Nb)	20	21	0,5	19	83. Висмут	(Bi)	0,2	—	0,13	0,1
42. Молибден(Мо)		1,5	0,5	1,6	1,1	90. Торий	(Th)	7	2,0	0,04	8,5
44. Рутений	(Ru)	0,01	—	0,7	0,0001	92. Уран	(U)	2	0,5	0,01	1,7
430		431

Таблица П13. Средний состав атмосферы Земли
(Encyclopaedia Britannica, 1996 н справочник Физические величины, 1991 — первый столбец)

Газ	Объемное содержание (в % и В МЛН’1, если не указано)	Объемное содержание (в % И В МЛН’1, если не указано)	Весовой состав, (в % и в млн-1, если не указано)	Полная масса, IO17 кг	Молярная масса М, кг-кмоль*1
Азот Na	78,084%	78,09%	75,51%	38,648	28,01340
Кислород Оа	20,9476%	20,95%	23,15%	11,841	31,99880
Аргон Аг	0,934%	0,93	1,28%	0,655	39,94800
Оксид углерода СОг	3141	3001	460	0,0233	44,00995
Неон Ne	18	18	12,5	0,000636	20,18300
Гелий Не	5,24	5,2	0,72	0,000037	4,00260
Метан СН«	2	1,5	0,94	0,000043	16,04303
Криптон Кг	1,14	1,0	2,9	0,000146	88,00000
Оксид азота N2O	0,51	0,51	0,8	0,000040	44,01280
Водород Н2	0,5	0,5	0,035	0,000002	2,01594
Озон Оз	Летом до 0,071 Зимой до 0.021	0,4	0,7	0,000035	47,99820
Ксенон Хе	0,087	0,08	0,36	0,000018	131,30000
Воздух	100	100	100	5,12101»	28,964422

1	Содержание газа может подвергаться существенным изменениям в зависимости от места и времени измерения.

2	Рассчитано по уравнению состояния идеального газа.

Вс В

*8

3

.5?

в
о
U

с
В

в а
* -
о в

и
о

в

CD £
if
в |
Us

> в 8

в
в

X

о

и

а

в
в

3
§

и

о
в

CD
о
п
S
CD

в

Сумма	Ксенон, i32Xe 1	Криптон, 84Кт '	эмог ‘иоэн	Аргон, 40Аг '	углерода, СО |	1 g		да, СО2	Оксид углеро- 1	Вода, Н2О	Кислород, О2	Азот, N2	I	Компонент			
1100%				о о о о А		р о о ю			194,4%	|~0,1%	о о о О' из	3,4%	ная до- ля, %		Объем-	со л
4,7<		ю р	р						О'	р		из  41		5	2	о о S3
огО1		р  СП	(—1 р сл						9 о	р		р йо				
1 о 9	О о о	о о о	О ъ о	о  СО		)00‘0			О  О СО	о  Е	ND О  из	78,0J	jq  >0	И g	Объе	
г:	о	К-»	00			X—• К-‘				00			о4	§	К	
																г
СП р (—• О 00	nd nd  р	1,8-1013 |	| eiOT Z‘5	*4 к-»  О  бх					ND сл  р  ел	со р р  &	I 8i0T 0‘I	3,91018 |		Масса, кг		1
О О  £	о о о	О о о	0  0 0	1—1 О'		0,07			из СП Ъэ	i 0,03	о  1—1 со	ND	ля, %	в g	Объе	г S
	о	о	ю											5	К	
4,1-:	00 О' *	1—1 ю	СО к-»	nd					со  О'	1—1	со р	О		3		
О  6Х	с «э	р  5	О  5	р  СП					о  6Х	р  СП	о ы	О				

в
г
с
В
Таблица П1б. Некоторые характеристики планет

(/ё — значения солнечных постоянных, Фе — потоки энергии солнечной ра-
диации, А — альбедо, /— потоки инфракрасной радиации, испускаемые с
единицы площади планеты. Р— производство энтропии данной планетой,
as — производство энтропии, отнесенное к единице площади, г— расстоя-
ние до Солнца в а. е., Р— радиус планеты)

Планета	Г, а.е.	Я, КМ	Л  Вт-м-2	Фо, Вт	А	f  Вт-м-2	Р, ВтК1	Os, Вт-м-2 •К-i
Меркурий	0,387	2432	9125	1.7(17)	0,06	2144	4,48(14)1	5,99
Венера	0,723	6052	2618	3,00(17)	0,76	157	4,03(14)	0,877
Земля	1,00	6378	1368	1,74(17)	0,30	232	6,2(14)	1,2
Марс	1,52	3394	589	2,12(16)	0,24	112	9,86(13)	0,685
Юпитер	5,20	71490	50,6	8,12(17)	0,36	8,15	6,21(15)	0,097
Сатурн	9,54	60268	15,0	1,72(17)	0,31	2,63	1,89(15)	6,041
Уран	19,19	25560	3,72	7,69(15)	0,36	0,598	1,14(14)	0,014
Нептун	30,06	24764	1,51	2,92(15)	0,33	0,254	5,63(13)	6,0073
Плутон	39,3	1160	0,879	1,11(13)	0,46	0,118	2,08(11)	0,0041

1 Обозначение: 4,48(14) равно 4,48-1014 (столбцы 5 и 8 таблицы).

П4. Уравнение состояния газа и работа,
нм производимая

Основные закономерности термодинамики проще всего
понять, рассматривая процессы, происходящие в газе. Урав-
нение состояния газа (идеального) — уравнение Клапейро-
на — хорошо известно из школьных курсов физики и запи-
сывается в виде

pV= пкТ,	(Ш)

где п— число частиц (атомов или молекул) в объеме V, выра-
женное в молях1. Частные случаи уравнения Клапейрона были
открыты опытным путем задолго до него. Так, пусть в замкну-
той (закрытой) системе, изображенной на рис. 2, а основного
текста, находится газ. Первый эмпирический газовый закон —
закон Бойля-Мариотта, записывается в виде:

pV = const.

Он гласит, что при постоянной температуре повышение
давления всегда приводит к уменьшению объема. Широкое
распространение получили р — V диаграммы, на которых та-

1 Моль — это ~ 6,02-1023 объектов (атомов, молекул ....), грамм-моль это
вес одного моля.
кая зависимость представляет геометрическое место всех то-
чек, соответствующих выбранной температуре (изотерму).

Рцс. П1. Изменение состояния газа при
постоянном давлении за счет подвода к сис-
теме количества теплоты Q12 (когда изменя-
ется ее температура и система совершает
работу)

Второй эмпирический газовый закон — закон Гей-Люс-
сака описывает поведение газа, находящегося при постоян-
ном давлении, если его температура изменяется (рис. П1 со-
ответствует изменению состояния замкнутой системы, пред-
ставленной на рис. 3 в главе 2, при изобарическом процессе).
Оказывается, что объем, занимаемый газом, обратно про-
порционален температуре: V/Т = const и изменение состоя-
ния газа описывается изобарой.

Мы уже неоднократно упоминали, что создание тепловой
машины базируется на том факте, что нагревание приводит
к увеличению объема и, как следствие этого, может быть со-
вершена работа. Площадь, ограниченная любой замкнутой
кривой в координатах р, V, равна результирующей величине
работы, совершенной системой или средой в течение всего
цикла1. Математически работа газа всегда записывается в
виде интеграла: А = fpdV. Если изменение состояния системы
(цикл) происходит по часовой стрелке, то площадь представ-
ляет работу, совершенную системой над средой (система яв-
ляется тепловой машиной), и работа считается положитель-
ной А > 0 (рис. 5 главы 2). В противоположном случае — ра-
боту среды над системой— А < 0 (система является холо-
дильной машиной (или тепловым насосом)).

Это справедливо для любого вещества: твердого, жидкого
или газообразного. Однако объем твердого тела или жидкости
мало меняется с изменением давления, поэтому площадь, за-
ключенная между кривыми, соответствующими любым ра-

1 Термодинамический цикл— это круговой процесс, осуществляемый
термодинамической системой. Изучаемые в термодинамике циклы пред-
ставляют собой сочетания различных термодинамических процессов, и в
первую очередь изотермических, адиабатических, изобарических и изохори-
ческих.
зумным значениям изменения давления, всегда очень мала,
и, следовательно, такие системы не могут совершать много
работы.

Рассмотренные выше эмпирические газовые законы по-
зволяют явным образом записать выражение для работы,
производимой газом при различных условиях. В простейшем
случае, когда давление остается постоянным в процессе из-
менения объема, работа равна произведению давления на
изменение объема (VKOH - V Нач) = Д V. Это справедливо и в том
случае, когда расширение не может быть представлено как
линейный процесс, например при надувании шарика:

Д = fpd V = р( Укон - V нач) =рДГ.	(П2)

На изотермические процессы мы будем не раз ссылаться
в дальнейшем, поэтому сосчитаем совершаемую при этом
работу. В качестве примера рассмотрим идеальный газ, на-
ходящийся внутри цилиндра и расширяющийся при посто-
янной температуре (рис. П2). Расширение газа заставляет
поршень, перемещаясь из положения а в положение б", вра-
щать коленчатый вал.

Рис. П2. Пример совершения ра-
боты при изотермическом изменении
объема газа

Бесконечно малое увеличение объема— dV, занимаемого га-
зом, приводит к бесконечно малому смещению поршня впра-
во и совершению работы dA = р-dV. Суммарная работа А
равна площади ограниченной кривой al 26. Если сделать так,
что и после завершения расширения коленчатый вал по
инерции будет продолжать вращаться, то начнется сжатие.
Если сжатие будет происходить в идеализированных изотер-
мических условиях, то система может вернуться в исходное
состояние. Совершенная в таком такте работа будет равна
(-Д). Система будет готова к следующему циклу, но суммар-
ной работы не совершится, так как рассмотренный нами ги-
потетический цикл проходил по пути 1—2—1, а площадь под
такой кривой равна нулю. Мы получили своего рода «упругий
процесс». Более того, так как всегда в двигателе существуют
потери, то при попытке практической реализации такого
цикла работу пришлось бы совершать «потребителю».

Внутренняя энергия при изотермическом процессе не
изменяется. Следовательно, в состояниях 1 и 2 она одина-
кова, и вся теплота Qi, подводимая к машине от нагревателя,
тратится на совершение работы. Если в выражении для ра-
боты (П2) давление записать с помощью (ГП), то получим, что
работа при таком процессе записывается в виде:

2

А = Qi = J р • d V = nJ?Ti In (V2 / Vi).	(ПЗ)

i

В качестве простейших и наглядных примеров соверше-
ния работы рассмотрим два возможных способа совершения
работы при изотермическом процессе и при расширении га-
за при постоянном давлении (рис. ПЗ).

Рис. ПЗ. а— получение работы посредством изотермического процесса;
б— расширяющийся газ поступает через вентиль в цилиндр и оказывает
постоянное давление на поршень, поршень с грузом подымается вверх и
совершает работу

В обоих случаях газ толкает вверх поршень с находящим-
ся на нем грузом. В случае изотермического расширения при
температуре кипящей воды (Т = 373 К) (рис. ПЗ, а) один моль
газа (n = 1) по мере испарения жидкости из сосуда оказыва-
ется под все меньшим давлением и увеличивает свой объем в
два раза. Работа, совершаемая в рассматриваемом случае,
равна

А = Я Тнач-ln (Укон/Рнач) = 2? Тнач’1п2 = 8,314-373-0,693 = 2150 Дж.

Величина совершенной работы оказалась не зависящей от
фактического значения объемов и определяется только их от-
ношением. Если бы мы вынули цилиндр из сосуда с кипящей
водой (Тнач = 373 К) и поставили бы его нагреваться на плитку, а
сосуд с водой закрыли крышкой с тем, чтобы вода из него не
испарялась, то у нас происходило бы расширение при постоян-
ном давлении. Работа, совершенная при увеличении объема
также в два раза, оказывается, согласно (П2), равной

А — р- (Укон- Унач) = (1?-7нач/ Унач)(2У|(ач — Унач) = -К'Тнач =
= 8,314-373 = 3100 Дж.

т. е. в процессе такого расширения газ совершил бы почти в 1,5
раза больше работы. Еще более простой способ совершения ра-
боты при постоянном давлении представлен на рис. ПЗ, б.

П5. Излучение абсолютно черного тела

Известно, что одним из современных методов мониторинга
окружающей среды является тепловое зондирование террито-
рий. Еще более известным является то, что существование био-
сферы обусловлено непрерывным притоком к ней солнечного
излучения, а ее достаточно равновесное состояние обеспечива-
ется испусканием Землей длинноволнового теплового излуче-
ния. Во всех этих случаях мы имеем дело с электромагнитным
излучением (излучением фотонов), возникающим тогда, когда
элементарные частицы, атомы, молекулы или атомные системы
переходят из состояний с большей энергией в состояния с
меньшей энергией. Когда говорится — тепловое (температур-
ное) излучение, то просто подчеркивается то обстоятельство,
что переход излучающей системы в возбужденное состояние
произошел в результате теплового движения.

При анализе глобальных экологических проблем основной
интерес представляет температурное излучение, т. е. ситуа-
ция, когда свойства излучения определяются только темпе-
ратурой излучающего тела, будь то Солнце, атмосфера или
поверхность Земли. В этой связи для описания воздействия
Солнца на биосферу, для понимания процессов, происхо-
дивших в первый миллион лет после Большого взрыва, про-
цессов образования и эволюции звезд, эволюции материи по
мере расширения Вселенной и свойств реликтового излуче-
ния, необходимо ввести представление об излучении абсо-
лютно черного тела1.

Свойства такого источника излучения хорошо известны.
Он испускает излучение в достаточно широком диапазоне
энергий, но вероятность испускания фотонов разных энер-
гий различна и характеризуется вполне определенным зако-
ном распределения интенсивности излучения по длинам волн
(по частотам или по энергии фотонов) при заданной темпе-
ратуре источника излучения.

Часто используемыми интегральными энергетическими
характеристиками излучения черного тела являются: полная
энергия, излучаемая в единицу времени с единицы его по-
верхности— J, и плотность энергии излучения черного тела
(количество энергии в единице объема, занятой излучением
черного тела) — и. Если интерес представляет излучение, ис-
пускаемое только в единичном интервале длин или частот
излучения, то рассматривают спектральную плотность рав-
новесного излучения (интенсивность теплового излучения)
— ЕХ,т (ev,7) — энергию, испускаемую единицей поверхности
абсолютно черного тела в единичном интервале длин волн
(частот) в зависимости от его температуры. Она описывается
законом излучения Планка:

с 2лйс2

ех,т ev,r	ехр^с/ккг^1>

(П4)

1

где h = h/2n— постоянная Планка, к— постоянная Больц-
мана, с — скорость света. На рис. П4 представлены экспери-
ментальные спектры излучения черного тела, нагретого до
различных температур. Эти спектры были получены немец-

1 Несколько упростив ситуацию, мы будем называть абсолютно черным
телом такой объект, который поглощает все падающее на него излучение.
Излучение, испускаемое им в пространство, определяется только его темпе-
ратурой, не зависит от свойств вещества, его образующего, а суммарные
энергии падающего и испущенного излучения равны. В физике примером
черного тела служит замкнутая, зачерненная изнутри полость с малым от-
верстием, через которое только и может проникать внутрь ее излучение.
Излучение внутри такого тела рассматривают как «идеальный газ», состоя-
щий из фотонов. Хорошо всем знакомым примером черного тела является
обычная духовка.

Заметим, что так как взаимодействием между фотонами мы можем
пренебречь, то для установления теплового равновесия в излучении необхо-
димо наличие хотя бы небольшого количества вещества. Равновесие уста-
навливается за счет поглощения и испускания фотонов веществом. Это об-
стоятельство приводит к тому, что число фотонов не является постоянной
величиной и определяется из условий теплового равновесия.
кими учеными Думмером и Принсхеймом в самом конце
прошлого столетия. Анализ именно этих спектров и убедил
окончательно Планка, что полученная им универсальная
функция ev,r действительно хорошо описывает излучение
черного тела.

Рис. П4. Распределение
интенсивности теплового
излучения в зависимости от
длины волны (по Думмеру и
Принсхейму, 1899). Сплош-
ные линии— это результаты
расчетов интенсивности из-
лучения Ех,т для следующих
температур черного тела: 1 —
1646 К; 2— 1449 К; 3 —
1259 К; 4 — 1095 К; 5 — 904
К, б —723 К

Что касается интегральных энергетических характери-
стик, то полная по спектру энергетическая светимость абсо-
лютно черного тела1 определяется его температурой (выра-
женной в градусах Кельвина) с помощью закона Стефана-
Больцмана, который является следствием закона излучения

* Энергия излучения всех длин волн, испускаемая с единицы поверхно-
сти в единицу времени.
Планка, и гласит: радиация, испускаемая с единицы площа-
ди абсолютно черного тела с температурой Т в полупростран-
ство, несет поток энергии

СО

J= J ev Tdv = ОдТ4,
о

где ив— постоянная Стефана—Больцмана1.

Если излучение внутри объема находится в термодина-
мическом равновесии со стенками, его образующими, то
Uy,T— плотность энергии излучения с частотой v в единице
объема связана с ev T простым соотношением: и^т = (4/c)ev,r.
Отсюда мы получаем для полной плотности энергии излуче-
ния в единице объема

и = 4(ов/с)Р= аТ>,

(П5)

где а = 4 ов/ с. Стефан сформулировал этот закон, исходя из
эмпирических данных, а чуть позже Больцман — из термо-
динамических соображений. Выводы Больцмана и после-
дующие теоретические работы используют результаты Мак-
свелла, предсказавшего и рассчитавшего давление света: р =
и/3.

Давление излучения р играло чрезвычайно важную роль
на протяжении первого миллиарда лет существования нашей
Вселенной, потому что оно определяло условия формирова-
ния крупномасштабной структуры Вселенной. Оно также оп-
ределяло и определяет условия образования и последующей
эволюции звезд. Необходимая для подобных расчетов инте-
гральная плотность энергии равновесного излучения в ва-
кууме рассчитывается согласно формуле Планка, и выраже-
ние (П5) записывается в виде:

..." "•

15с3Й3

8л5к4

15с3й3

Г» = а Р,

где а = 8л5К5/15сЗЛ3 ~ 7,6-1Д16 Дж м-з-КА

Рассмотрим теперь несколько подробнее представленное
на рис. П4 распределение спектральной мощности равновес-

1 В научной литературе помимо энергетической светимости J абсолютно
черной поверхности, т.е. интегрального лучистого потока, испускаемого на-
ружу во всех направлениях (в телесном угле 2я) единицей площади такой
поверхности в единицу времени, находит применение и термин «яркость
излучающей поверхности» — В. Онн связаны соотношением ^ * itB“ ОдТ*.
ного излучения — е^т. Оно характеризуется параметрами, ко-
торые и используются обычно для тех или иных задач. Что
касается длины волны излучения (или частоты, или энергии),
то наиболее характерной является длина — Аmax (Етах —
he/ "kmax, v = с/ Атах), соответствующая максимуму распреде-
ления1. Температура тела и Хтах связаны между собой про-
стым соотношением, называемым законом смещения Вина

ктахТ = Ь = 0,28978 см-К.	(П6)

При повышении температуры положение максимума
смещается в сторону коротких длин волн, а сама величина
этого максимума (значение функции ех,т) растет пропорцио-
нально температуре в пятой степени (см. рис. П4).

Для излучения черного тела с температурой 2,728 К
Атах = 0,106 см (Етах = 0,00129 эВ; Еср = б.ФЮ-^эВ; Аср = 0,195
см). Это намного меньше 7,35 см (энергия 1,7-10-5 эВ), т.е.
той волны, на которую была настроена радиоантенна, ис-
пользовавшаяся в первых экспериментах Пензиса и Вильсо-
на. Полная энергия реликтового излучения, заключенная в
единицы объема Вселенной, равна

и = prod = 2,63-105 эВ-m-3 = 4,7-10-31 кг-м-3.

Эту величину следует сравнить со значением критиче-
ской плотности, per ~ 6-10“27кг-м“3 (~ 3 атома водорода на 1 м3
объема пространства), полученным нами с помощью посто-
янной Хаббла, использованной при оценке времени, про-
шедшего с начала расширения. Реликтовые фотоны не рож-
дались и не исчезали в процессе расширения Вселенной, а
среднее расстояние между ними просто увеличивалось про-
порционально размеру Вселенной. Ровно так же увеличива-
лась и длина волны. То положение, которое было в момент
разделения вещества и излучения, когда расстояние между
фотонами было равно средней длине волны, как и для всяко-
го черного тела, сохранилось для этого излучения и на сего-
дняшний момент. Реликтовое излучение в процессе расши-

1 Кроме Атах, часто используют Аср, усредненную по спектру длину волны
(Ас₽ = he/Еср). АсрТ= 0,53 см-К. Фотоны с такой длиной волны имеют энергию
Еср = 2,33- 10~4 Т эВ. Двумя другими параметрами, характеризующими рас-
пределение фотонов по длинам волн, являются полная энергия единицы объ-
ема и и полное число фотонов N в единице объема, которые зависят только
от температуры:

и » 7,6-10-“ • Т* Дж-м-з » 4,7-103- Т* эВ-м-3 « 8,4-10"33 • Т* кг-м-3 ;

N = 2,028 -Ю7-?3 фотонов-м-3.
рения Вселенной продолжает описываться планковской
формулой. Температура этого излучения, обратно пропор-
циональная средней длине волны, падает обратно пропор-
ционально масштабному фактору.

Представление об излучении черного тела необходимо и
при анализе климатоэкологической системы — очень нерав-
новесной системы, содержащей вещество (например, молеку-
лы атмосферы) и радиацию (солнечные фотоны) при различ-
ных температурах. Еще Планком было показано, что даже
такое неравновесное состояние материи, как поток фотонов,
можно рассматривать как газ невзаимодействующих частиц
(фотонов). Для описания такой системы используются хоро-
шо известные параметры: U, р, V, S и т. д. (химический по-
тенциал фотонов ц = О). Иными словами, такой газ заполняет
определенный объем V, оказывает давление р, характеризу-
ется внутренней энергией и энтропией. Возьмем в качестве
независимых переменных V и Т.

Если мы запишем первое начало термодинамики для по-
лости, заполненной излучением, в виде

dC7 + pdT-8Q = O,

то с учетом того, что, согласно второму началу, dS- 8Q/T=O,
для энтропии черного излучения, равномерно заполняющего
полость с объемом V, имеет место следующее дифференци-
альное соотношение: dS = (d!7 + pdV)/T. После интегрирова-
ния мы получаем

S = 4/3 aT3V,

При рассмотрении глобальной климатоэкологической сис-
темы важно знать энтропию направленного потока излучения,
приходящего к нам от Солнца. Так как она характеризует этот
поток излучения, то можно сказать, что она и распространяется
в пространстве вместе с этим потоком. Так возникло понятие
излучение энтропии. Оно вполне аналогично излучению энер-
гии и измеряется энтропией, которая в единицу времени про-
ходит в некотором определенном направлении через единицу
поверхности. Формализм, развитый для энергии, справедлив и
здесь. Пусть L— интенсивность излучения энтропии в любом
направлении L=c/Зя -аТ3.

Тогда объемная плотность излученной энтропии S- S/V =
4/3 аТ3= 4я L/c .

Пусть поверхность черного тела температуры Т и беско-
нечно большой теплоемкости подвергается со всех сторон
действию излучения температуры Т. Это тело с единицы сво-
ей поверхности за единицу времени испускает энергию —
ас/4-Т4 и энтропию — ас /3- Т3. В то же время оно поглощает
энергию ас/4Т4 и энтропию ас/З-Т'3. Энергетический ба-
ланс единицы поверхности — В' зависит от соотношения ме-
жду Т и Т.

В'= ас /4-(Т'4- Т4).

Энтропия тела изменяется на величину Q/Т, тогда как
энтропия излучения в пустоте— на ас/З-^Т3 - Т'3) и полное
изменение энтропии всей рассматриваемой системы за еди-
ницу времени и на единицу поверхности равно:

ас/4(Т'4- Т4)/Т+ ас/3-CI3-Г'3) > 0.	(П7)

Соотношение (П7) находит применение при рассмотре-
нии взаимодействия солнечного излучения с Землей.

Часто звезды, в том числе и наше Солнце, рассматривают
как черные тела, т. е. как «хорошие» поглотители и излучате-
ли. С другими космическими объектами ситуация сложнее, и
они характеризуются излучательной способностью, которая
призвана показать, насколько значительно они отличаются
от черного тела, характеризующегося излучательной способ-
ностью (коэффициентом черноты) 1,0. Для идеального отра-
жателя излучательная способность равна нулю. При рассмот-
рении системы Солнце— Земля обычно говорят об альбедо
Земли — Л, и излучательная способность Земли оказывается
равной 1 - А. При проведении расчетов принято рассматри-
вать планеты как черные тела, но учитывать альбедо.

Как мы знаем, параметром, в течение более чем столетие
служащим для измерения поступающей к нам от Солнца
энергии, является солнечная постоянная — В то же время
ее измерения сталкивались со сложностью учета изменения
поглощения радиации в вышерасположенных слоях атмо-
сферы. Появление спутников позволило вынести аппаратуру
в космос и избежать этой проблемы (см. рис. П5). С 1979 г.
наблюдения со спутников ведутся постоянно. Спутниковые
измерения, помимо fG, позволяют измерить также альбедо и
поток теплового излучения с 1 м2 поверхности Земли — fa.
Годы проведения измерений

& ERBS ONOAA9 C-NOAA10

Рис. П5. Зависимости солнечной постоянной от времени, полученные
с помощью разных регистрирующих систем, установленных на спутниках1

Из проведенных к настоящему времени измерений следует,
что разрешающая способность приборов не хуже 0,01% от из-
меряемого потока при отличной стабильности во времени. Мак-
симумы и минимумы потока излучения хорошо коррелируют с
группами пятен, проходящих через центральную часть диска
Солнца. Так как погрешность измерений может достигать 0,5%,
то необходимо обеспечение перекрытия рядов одновременных
измерений на возможно более длинном отрезке времени. В слу-
чае перерыва связь между рядами наблюдений будет потеряна.

Эти измерения позволили установить связи между явле-
ниями солнечной активности и величинами потока солнечно-
го излучения. Установлено, что величины СП изменяются в
одинаковой фазе с ходом индексов солнечной активности.
Следуя многим публикациям, мы выберем следующие значе-
ния: /© =1368 Вт-м-2, Теед = 5780 К, А = 0,30. Поток инфра-
красной радиации, испускаемой Землей, с точностью 1,5 %
характеризуется температурой 7®еД = 255 К, а = 232 Вт-м-2.

1 Через Nimbus-7 обозначен ряд измерений солнечной постоянной со
спутника проекта «Earth Radiation Budget» «Nimbus-7»; SMM — ряд, получен-
ный аппаратурой SMM—ACRIM co спутника «Solar Maximum Mission»; UARS
— ряд, полученный аппаратурой UARS—ACRIM co спутника проекта «Upper
Atmosphere Research Satellite»; NOAA-9 и NOAA-IO — ряды измерений/© co
спутников Национального Управления по исследованию океана и атмосфе-
ры; ERBS — то же со спутника проекта «Earth Radiation Budget Satellite».
Пб. Эффект Доплера

Если источник электромагнитного излучения удаляется
от наблюдателя со скоростью v, то из теории относительности
следует, что частота регистрируемого излучения v окажется
меньше частоты испущенного излучения vo так, что

где с — скорость света, а скорость v является векторной ве-
личиной. Так как источник удаляется от наблюдателя, то
скорость — отрицательная величина, и в формуле отношение
скорости движения к скорости света оказывается положи-
тельной величиной. Для скоростей удаления галактик, доста-
точно малых по сравнению со скоростью света, числитель
приблизительно равен единице и

v = ^-.
1 + р/с

От частоты излучения легко перейти к длине волны. Для
длины волны регистрируемого излучения — X мы получаем

X = c/v = Хо (1 + р/с),	(П8)

где Хо — длина волны излучения, испускаемого источником.
Мы видим, что длина волны излучения действительно воз-
растает, если источник удаляется, т.е. свет, регистрируемый
наблюдателем на Земле становится «более красным».

Пусть R — сегодняшнее расстояние от нас до той галак-
тики, которая является источником света с длиной волны Хо.
В момент испускания света это расстояние было равно Ro =
ct, однако за то время, пока свет шел к нам и был зарегист-
рирован, оно увеличилось на величину = vt = H-Ro-t и ста-
ло равным

R = Ro + AR = (с + H-Ro) •< = (с + р) *t,

а относительное увеличение этого расстояния

R/Ro = (1 + v/c)	(П9)

дается такой же формулой, как и относительное увеличение
длины волны излучения, распространяющегося в это же вре-
мя между галактиками (П8).
Мы приходим к следующему, чрезвычайно важному за-
ключению: в процессе расширения длина волны излучения
(например, излучение с длиной волны 121,6 нм (линия водо-
рода La) увеличивается так же, как и относительное расстоя-
ние между источником света и его приемником. Энергия из-
лучения соответственно уменьшается.

Пока мы предполагали, что скорость движения типичной
галактики мала по сравнению со скоростью света. В более
общем случае вместо выражения (П8) пользуются выражени-
ем

X = Хо(1 + Z),
где z дается выражением

,	/с + v

z + 1 = .---.

\c-v

При исследовании спектров далеких квазаров удается на-
блюдать системы спектральных линий, длина волны которых
увеличена в результате космологического красного смещения
так, что параметр z принимает значения вплоть до z ~ 5. В этом
случае мы видим объекты, расположенные от нас на расстоя-
ниях 104-15 млрд световых лет. Иными словами, мы получаем
информацию о ранних этапах эволюц ии Вселенной.

Значит, в момент испускания этого излучения расстоя-
ние таких объектов от нас было в ~ 6 раз меньше, и, следова-
тельно, плотность вещества внутри того объема Метагалакти-
ки, который сегодня соответствует сфере радиусом 104-15
млрд световых лет, была b(1 + z)3~210 раз больше!

П7. Соотношения между массой, энергией
и температурой черного тела

А. Эйнштейн показал, что так как максимальная ско-
рость, с которой может двигаться любой объект (предмет), не
превосходит скорости света, то его полная энергия Е и масса
покоя то связаны между собой следующим образом:

Е = тос2/(1 - t^/c2)1^.	(П10)

Если объект покоится, то его полная энергия ЕЬ обуслов-
лена только его массой и равна Ed = тос2.

В связи с этим говорят: энергия и масса эквивалентны;
иногда также можно слышать, что энергия обладает массой,
или масса имеет энергию.
Соотношение (П10) часто представляют в виде Е = тс2,
где масса тела т = то/ (1 - и2/с2] — релятивистская или пол-
ная масса тела. Если частица движется со скоростью света,
то, согласно выражению (ШО), масса покоя такой частицы
обязана быть равной нулю. Действительно, в этом случае
правая часть этого выражения равна 0/0, что может быть и
конечной величиной. Фотоны: у-кванты, свет, радиоволны и
т. д. распространяются со скоростью света. Поэтому масса
покоя фотонов всегда равна нулю, но они характеризуются
релятивистской массой т- Е/с2.

Для того чтобы получить более конкретные представле-
ния об этих соотношениях, мы рассмотрим несколько чис-
ленных примеров. Сосчитаем вначале, какая энергия заклю-
чена в 1 кг массы, т.е. какая энергия выделилась бы, если
масса в 1 кг полностью превратилась в энергию (аннигили-
ровала).	1кг-(2,997925-108 м-tr1)2 - 9-Ю16 Дж1.

Фотоны видимого света обладают энергией порядка одного
эВ. Сколько же «весит» подобный фотон? Согласно приложению
Ш, фотон с энергией 1 эВ весит - 1,8-10-36 кг. На такую же ве-
личину возрастает масса любого предмета, например, частицы,
атома или молекулы после того, как он поглотил такой фотон.
Конечно, по сравнению с массой атома водорода, составляю-
щей -1,7-10-27 кг, такое приращение энергии очень мало. Одна-
ко если мы рассматриваем космические объекты, то картина
меняется. Мы знаем, что масса Солнца - 2-1030 кг. Если бы оно
состояло только из водорода, то такой массе соответствовало бы
- 1,2-1057 атомов. Если взять среднюю энергию атома водорода
в Солнце равной 100 эВ, то оказывается, что масса Солнца
больше массы покоя составляющих его атомов на (100 эВ)-
(1,2-Ю57 aTOMOBj^l.S-lO-^Kr) - 2,28-1023кг. Это уже вполне
сравнимо с массой Земли, составляющей 5,97-1024 кг. Мы ви-
дим, что чем горячее звезда, тем с большей силой она должна
притягивать к себе вращающиеся вокруг нее планеты.

Зная полную энергию единицы объема черного тела —
ц(7), легко получить плотность вещества как функцию темпе-
ратуры, при которой оно находится. Взяв в качестве массы
плотность тела, мы имеем
о_5г. 4

рс2 = аТ> =	, -у Г4 - 4,7-103-Т4 эВ-м~3

15с3й3

и, следовательно,

Это можно выразить и другим образом, а именно: 1 Дж весит ~ КУ17 кг.
р =

8л5/с4

15c5h3

(ПИ)

Отсюда легко сосчитать, что черное тело будет иметь
плотность рР при температуре Т = ~ 1-Ю32 К, а уменьшение
температуры со временем дается выражением:

Т ~ 2,2- 1010К/ ^(сек) ~ 10™ К/ ^(сек).	(П12)

Соотношение Е = mod2 наводит на мысль, что при нали-
чии энергии mod2 может родиться частица с массой покоя тпо.
Действительно, опыт показывает, что это так. При энергии у-
кванта больше 1,1 Мэв имеет место процесс образования
пар. При этом для сохранения электрического заряда одно-
временно возникают электрон и позитрон (античастица с
противоположным, положительным, зарядом). Любые другие
частицы также могут рождаться после того, как энергия фо-
тонов достигнет достаточной для этого процесса величины.

Энергия 2 mod2 для рождения пары античастиц может
поставляться различными путями. Например, это могут быть:
кинетическая энергия, высвобождающаяся при столкнове-
нии двух других частиц, тепловая энергия, электромагнитная
энергия или энергия покоя некоторых других частиц. Обрат-
ным процессу рождения пары является процесс ее аннигиля-
ции. Он имеет место, когда частица сталкивается со своей
античастицей. Так, наиболее детально изучен процесс, при
котором электрон и позитрон при их тесном сближении исче-
зают и вместо них образуются два или три фотона. Для рож-
дения пар электрон—позитрон пороговая температура равна

Гпор ~ ШеС2/к ~ 0,511 МэВ/8,61-10-5 эВ-К-1 ~ 6-Ю9 К,

и при этой температуре, согласно закону Стефана-Больцма-
на, плотность энергии излучения равна и ~ 8,410-33-Т4кгм~3
~ 107 кг-м~3. После того, как температура Вселенной достигла
~ 4000 К, т.е. через ~ 6-1012 с, средняя длина волны фотонов
составила - 1300 нм1. Можно сказать, что вся Вселенная вы-
глядела в это время темнокрасной: и ~ 2-10~18 кг-м~3, ктах ~
725 нм, ЕСр = 2,33-10^-ТэВ ~ 1 эВ.

1 Величину полученного временного интервала можно теперь умножить
на опущенный ранее множитель 2,2 (см. выражение П12). Это даст (4-5)-105
лет.
список рекомендованной литературы по разделам

Предмет глобальной экологии

Будыко М.И. Глобальная экология. М., 1977.

Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере: Учеб, пособ. Рос-
тов-на-Дону, 1996.

Одум Ю. Экология. В 2-х томах / Пер. с англ. М., 1986.

Белозерский Г.Н., Вуглинский В.С., Лавров С.Б. и др. Основы геоэкологии /
Подред. В.Г. Морачевского. СПб., 1994.

Глобальные экологические проблемы на пороге XXI века // Материалы на-
учной конференции, посвященной 85-летию академика А.Л. Яншина.
М., 19985

Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.,
1995.

Воробьев Ю.Л., Малинецкий Г.Г., Осипов В.И и др. Катастрофы и общество.
М., 1999.

Некоторые вопросы аксиоматики биосферы

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.,
1987.

Сукачев В.Н. Основы лесной типологии и биогеоценологии. Собр. соч.: В 6 т.
Т. 1.Л., 1972.

Тейяр де Шарден П. Феномен человека / Предисл. и коммент.
Б.А. Старостина. М., 1987.

Huggett R.J. Geoecology. An evolutionary approach. London; New York, 1995.

Основы термодинамики и представления об энергии

Виссарионов В.И., Золотов Л.А. Экологические аспекты возобновляемых ис-
точников энергии. М., 1996.

Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчи-
вости и флуктуаций / Пер. с англ. М., 1973.

ДэвинсД. Энергия / Пер. с англ. М., 1985.

Машковец Б.И., Наумов Ф.И. Ресурсы биосферы и энергетика: Учеб, пособ.
М., 1990.

Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы / Пер. с англ.
М., 1978.

ТвейделДж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии / Пер. с англ. М.,
1990.

Aubrecht Gordon J. Energy. Columbus; Toronto; London; Melbourne, 1984.
Термодинамика необратимых процессов

Климонтович Ю.А. Статистическая теория открытых систем. М., 1995.

Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / Пер. с
англ. М., 1960.

Пригожин И., Стенгере И. Порядок из хаоса / Пер. с англ. М., 1986.

Пригожин И., Стенгере И. Время, Хаос, Квант. К решению парадокса време-
ни / Пер. с англ. М., 1994.

Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика / Пер. с англ. М.,
1972.

Biebricher Christof К., Nicolis Gregor, Schuster Peter. Report to the Review Stud-
ies on Self-Organization in the Physico-Chemical and Life Sciences //
Commission of the European Communities. 1994.

Возникновение и эволюция Вселенной

Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение
Вселенной / Пер. с англ. М., 1981.

ГуревичЛ.Э., ЧернинА.Д. Происхождение галактики звезд. М., 1987.

Новиков ИД. Эволюция Вселенной. М., 1990.

Сурдин В.Г. Рождение звезд. М., 1999.

Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Под ред. Р.А. Сюняева. М.,
1986.

Чечев В.П., Крамаровский Я.М. Синтез элементов во Вселенной. М., 1987.

Образование Солнечной системы

Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы:
Происхождение и ранняя эволюция. М., 1990.

Миттон С. Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце / Пер. с англ. М., 1984.

Ривин Ю.Р. Циклы Земли и Солнца / Пер. с англ. М., 1989.

Сафронов В.С. Эволюция допланетного облака и образование Земли и пла-
нет. М., 1969.

Физика Солнца / Под ред. И. С. Щербиной-Самойловой // Итоги науки и
техники. Сер. Астрономия. 1984. Т. 25.

Foukal Peter. Solar Astrophysics. London, 1990.

Образование Земли, биосферы и некоторые глобальные
экологические проблемы

Волъвовский В.С. Литосфера и астеносфера Земли. Факты и предположения.

М., 1996.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и Планет. М., 1983.

Озима М. Глобальная эволюция Земли / Пер. с англ. М., 1990.

Пудовкин М.И., Семенов В.С. Теория пересоединения и взаимодействие сол-
нечного ветра с магнитосферой Земли. М., 1985.

Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. М., 1991.

Хуторской МД. Введение в геотермию. М., 1996.

Заключение

Кондратьев К.Я., Донченко В.К., Лосев К.С., Фролов А.К. Экология, экономи-
ка, политика. СПб., 1996.

Кумачев А. И., Кузьменок Н. М. Глобальная экология и химия / Под ред.

В.В. Свиридова. Минск, 1991.
осев К. С., Горшков В.Г., Кондратьев К.Я. Проблемы экологии Росии / Под
ред. В.И. Данилова-Данильян, В.М. Котлякова. М., 1993.

(едоузД.Х., Медоуз ДА. и др. Пределы роста / Пер. с англ. М„ 1991.

(eadows D.H., D.L. Meadows, Randers J. Beyond the Limits. Vermont, USA,
1992.

Приложения

хатовА.Г. Экология и международное право. М., 1996.

(риц М.Е., Будберг П.Б. Свойства элементов: Справочник: В 2 кн. М., 1997.

'люта Е.Н., Иванов А.В., Иванов М.А. Сравнительная планетология. Основ-
ные понятия, термины и определения. М., 1995.

'удалей В.В. Мизгирев И.В. Экологически опасные факторы. СПб., 1996.
ккологическое право России. М., 1997.

Изменение природной среды

[ндруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т. и др. Введение в химию окружаю-
щей среды. / Пер. с англ. М., 1999.

'ригорьев Ал.А. Экологические уроки прошлого и современности. Л., 1991.

Изменение природной среды: Глобальный и региональный аспекты / Под
ред. А.Н. Геннадиева. М., 1997.

’'рофимов В.Т. Экологические функции литосферы. М., 2000.

Экодинамика и экологический мониторинг Санкт-Петербургского региона в
контексте глобальных изменений / Под. ред. К.Я. Кондратьева, А.К.
Фролова. СПб., 1996.

Экологическая безопасность России // Материалы Межведомственной ко-
миссии по экологической безопасности. М., 1995. Вып. I; М., 1996.
Вып. II.

ЧаЪпапп М.М., Steinberg М. Green house gas carbon dioxide mitigation. Boca
Raton, London, 1999.

Общая литература по экологии

Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология особи, популяции и сообщества:
В 2 т. / Пер. с англ. / Под. ред. В.Н. Михеева, М.А. Снеткова. М., 1989.

Будыко М.И. Эволюция биосферы. Л., 1984.

Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера / Под ред. Б.С. Соколова. М., 1989.

Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М., 1999.

Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. М., 1999.

Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М., 1990.

Сидякин В.Г., Темурьянц Н.А., Макеев В.Б. Космическая экология. Киев,
1985.

Старицкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб., 1996.

Стебаев И.В., Пивоварова Ж.Ф., Смоляков Б.С. и др. Общая биогеосистемная
экология. Новосибирск, 1993.

Шилова Е.И., Банкина Т.А. Основы учения о биосфере: Учеб, пособ. СПб.,
1994.

Moore Gary S. Lowing with the Earth. Concepts in Environmental Health Sci-
ence. Boca Raton, London, 1999.

Экология, информация и самоорганизация

Бриллюэн Л. Наука и теория информации / Пер. с англ., М., 1960.

Бурдин К. С. Основы биологического мониторинга. М., 1985.
Волькенштейн М. В. Энтропия и информация. М., 1986.

Кадомцев В.В. Динамика и информация. М., 1997.

Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных
систем. М., 1994.

Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа. Томск, 1997.

Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей / Пер. с англ., М., 1985.

Хомяков Д.М. Хомяков П.М. Основы системного анализа. М., 1996.

OdumH.T. Systems Ecology: An Introduction. New York, 1982.

Экология и экономика

Гриценко А.И. Экология. Нефть и газ. М., 1997.

Заславский Б.Г. Управление экологическими системами. М., 1988.

Израэль Ю.А. Роль мониторинга в управлении экономикой; экологическое
нормирование. Комплексный глобальный мониторинг состояния био-
сферы // Труды Ш Международного симпозиума. 1986. Т. 1.

Колодезников Р.П., Шадрин А.П. Энергетические ресурсы: Проблемы и про-
гнозы: Учеб, пособ. Якутск, 1986.

Чепурных Н.В., Новоселов А.Х. Экономика и экология. Развитие, катастрофы.
М., 1996.
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

Агассис Л. 21

Аристотель 18, 25

Вете Г. 272

Блэк Д. 73

Бойль Р. 73

Больцман Л. 102, 103, 147, 177,
439

БомД. 87

Боумеч X. 62

Браун К. 141

Бэкон Ф. 73

БюффонЖ. 145

Вернадский В.И. 13, 21,27, 30,
34-48, 57-61, 72, 122, 148, 409-
413

Вильсон Р.Б. 209, 210

Вольф Р. 310

Гамов Г. 209

Геккель Э. 12

Гельмгольц Г. 69, 117

Гесиод 150

Гиббс Дж.В. 117, 119

Гольдсмит В. 26

Горшков В.Г. 63, 144, 402

1>к Р. 73, 145

фон Гумбольт А. 30

Дарвин Ч. 42, 145

Декарт Р. 73

Демокрит 150

Джинс Дж. 250

Дидро Д. 145

Джоуль Дж. 69, 75, 82,83,85,86

Докучаев В. В. 14, 30-32, 45

ДоллоЛ. 144

Д юлонг П. 73

Зюсс Э. 20, 25, 26, 35,44

Зюсс Г. 291

Изаков М.Н. 435

Израэль Ю.А. 356

Йенни Г. 32

КантИ. 150,201

Карно С. 75, 81, 91, 95, 99, 106

Клапейрон Б.П.Э. 73

Клаузиус Р. 97-99, 101

Клементс Ф. 31

Кондратьев К.Я. 396

Косыгин Ю.А. 44

Лавлок Д. 402

Лавуазье А.Л. 73

Ламарк ЖБ. 145

Лаплас П. 73

Лейбниц Г.В. 86

Ле Конте 21

Леруа Э. 21, 34, 48, 56-58

Ле Шателье А. 141

Либих Ю. 63

Лоренц Э. 181

Лотка А. 147

Лундмарк К. 263

Майер Ю.Р. 69

МаксвеллДж. 174, 198, 439

Маундер Е.У. 311

Мебиус К. 14, 63

Мессье Ш. 201

Миланкович М. 360

Морозов Г.Ф. 14, 63

Монин А.С. 351

Мохоровичич А. 24
Ньютон И. 73, 87, 150, 200, 255

ОдумЮ. 15,71,83

ОнсагерЛ. 159, 160, 164

Павлов А.П. 21

Пензис А.А. 209, 210

Планк М. 417, 437-441

Пригожин И. 113, 160-167, 172,
176-178, 190, 194, 339, 406

Пти А. 73

Пудовкин М.И. 392

Распопов О.М. 392

Реди Ф. 41

Реймерс Н.Ф. 400

Сандулик Н. 287

де Ситтер В. 212

Слайфер В.М. 202

Сорохтин О.Г. 357

Стенгере И. 176

Стикс М. 275

Сукачев В.Н. 14, 32, 35, 44-47

СциллардЛ. 191

Тейяр де Шарден П. 21, 34, 35,
44, 47-60, 409-414

Томсон У. (лорд Кельвин) 69, 81,

146, 149

Туксен Р. 31

Тэнсли А. 14, 35

Тэт П. 174

Ушаков С.А. 357

Федоров Н.Ф. 43

Фейнман Р. 87

Ферсман А.Е. 29

Форбс С. 14

Форстер Дж. 30

Фридман А.А. 205, 206, 220

Фурье Ж. 73

Хаббл Э. 200, 201, 203, 212

Хаггинс У. 202

ХакенГ. 181

Хатчинсон Д. Э. 35

Цельсий А. 81

Циолковский К.Э. 43

Чапмен С. 364

Чижевский А.Л. 43, 386

Шепли X. 262

ШауХ.Ф. 31

Швабе Г. 310, 312

Шеннон К. 192, 193

Шперер Г. 311

Шредингер Э. 151-155

Шухерт К. 21

Эйнштейн А. 88, 157, 217, 219,
220, 231,445

Энгельс Ф. 47

ЮриЧ. 291
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭС	— атомная электростанция

ВИВ	— внезапные ионосферные возмущения

ГКЛ	— галактические космические лучи

ИК	— инфракрасное излучение

КВМ	— корональный выброс массы

КОСР-2 — вторая конференция ООН по окружающей среде и развитию
КПД — коэффициент полезного действия
ММП — межпланетное магнитное поле

ОТЭС — океанические тепловые электростанции

ППШ	— поглощение в полярных шапках

ПГ	— парниковые газы

РВВ — радиационно возмущающее воздействие аэрозолей иа климат
СИ	— международная система единиц (SI, System Internationale)

СКА	— солнечные космические лучи

СТЭ	— синтетическая теория эволюции

УФ	— ультрафиолетовое излучение

СОВЕ	— Cosmic Background Explorer

DIRBE — прибор для измерения диффузного фона инфракрасного излуче-
ния

DMR — дифференциальный микроволновой радиометр

FIRAS — спектрометр для измерения далекого инфракрасного излучения
IPCC	— международный комитет по изменению климата
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Авроральная зона 377, 390

Аккреция 266

Аккреционная энергия 333

Аннигиляция 222

Антропогенез 411

Антропогенная эра 20

Антропогенное

— воздействие на климат 347, 354,
389, 395

—	давление на биосферу 18, 400,
407

—	тепловое загрязнение среды 347

Антропология 18

Антропоморфизм 52

Антропосфера 29

Антропоцентризм 52

Астеносфера 332

Астероиды 318,495

—	опасность 397

Атмосферно-магнитосферно-ионо-
сферные процессы 387

Аттрактор 180

—	странный 185

—	точечный 180

—	фрактальный 185

—	хаотический 187

Атмосфера 25, 335, 362, 498

—	изменения прозрачности 393

—	ионизация 362, 369

—	ионизированные слои 370

Аутэкология 12

Аэрозоли 354,361

— воздействие на климат 394

Валдж 264

Барисфера 25

Барионы 221

Белые карлики 286

Беспорядок—сложность 149

Биогеохимия 36

Биогеохимические циклы 13

Биогеоценоз 14, 44

Биогеоценология 47

Биокосное вещество 38

Биосфера 13, 19, 24, 34, 406

Биота 20, 40

Биотоп 46

Биоценоз 12, 46

Бифуркации 169, 180

Большой взрыв 199

Брюссельская школа термодина-
мики 164

Буря геомагнитная 308, 374

— ионосферная 389, 390

— магнитная 322, 373, 393

— магнитосферная 373, 374

—	пылевая 362

—	солнечная 309

Взаимодействие

—	геосфер 33

—	гравитационное 196, 198

—	единое сверхсильное 229

—	единое «электрослабое» 232

—	элементарных частиц 197

—	компонентов биосферы 32

—	слабое 197

—	солнечного ветра с межзвездной
средой 29

—	тепловое 73, 85

—	электромагнитное 65, 197

—	эндо- и экзогенных процессов 22

—	фотонов с веществом 239, 293

—	фундаментальные 196, 226

—	ядерное (сильное, авдронное) 197

Бойды 252

Время в термодинамике 67

—	геологическое 37

—	Ляпунова 186

—	оборота биомассы Земли 40
—	Планковское 219

—	релаксации 114

—	сжатия Протогалактики 270

—	Хаббла 207

Вселенная 23, 258

—	античастицы 233

—	возраст 207, 240, 242

—	геометрия пространства 206, 231

— горизонт видимости 223, 240, 249

—	замкнутая 230

—	инфляция 198, 230, 246

—	квантовое рождение 218

—	масштабный фактор 206, 222

— облака примордиального газа

245, 257

— однородная 205, 206, 212

— открытая 230,246

— первичный нуклеосинтез 238

— плотность вещества 208, 223,
243-247

--временная зависимость 224

--критическая 208,244,417

— полная масса 230

— радиационно-доминированная
стадия 238

— расширение 199, 204, 206, 231

--скорость 203, 234

— рекомбинация космической
плазмы 239

— состав вещества 222, 226

— стандартная модель 198

— стационарная 200, 212

— структура 208, 227, 248

— тепловая смерть 146-149

— температура 209-210, 219, 241

— флуктуации плотности вещества
243, 248

— эволюция 177,197,219

— этапы эволюции 226, 228

— химический состав 217, 232,238

— энтропия 210, 238

Вторая космическая скорость 208

Галактика 197, 201, 259

—	строение 263

—	звездное гало 265

—	корона 266

Галактики 259

—	Андромеда (М31) 259

—	М32иМ110 261

—	M54-SagDEG 269

-	М74 (NGC 628) 259

—	Магеллановы Облака 259

—	образование 251, 255

—	плотность вещества 252

—	решетка из скоплений 256

—	радиогалактики ЗС 295 268

—	скопления 229, 240, 246

—	скорости 202-205

—	спиральные 254, 259

—	спиральные рукава 261

—	ускорение 205

—	эллиптические 255, 267

Гало звездное 241

Гелиопауза 29, 392

Гелиосфера 29, 384

Геобиосфера 28

Геодинамическая глобальная модель
335

Геокорона 368, 372

Геомагнитная ловушка 382

Геомагнитное поле 372-376
----направление 372, 374
----напряженность 374

Геомагнитные пульсации 380

— возмущения 393

Геооболочка 27

Геосферы 23-29, 32, 42

Геосинхронная орбита 376

Геоэкосистемы 33

Геоэкосфера 33

Гетеросфера 367

Гидросфера 25, 334

Гипотеза Геи 402

—	влияния парниковых газов на
климат 350, 394

—	глобального потепления 356, 396

—	литосферных плит 334

—	о локальном равновесии 164

—	небулярная Канта-Лапласа 317

—	флуктуационная 147

Главная последовательность 273

Глобальная геодинамическая модель
335

Глобальные экологические проблемы

15, 17, 20

Гоминизация 54

Гомосфера 366

Гравитация квантовая 218, 229

Гравитационная неустойчивость

240, 244, 248

Гравитационное излучение 227

Гравитационные волны 157, 229

Гравитационный коллапс

—	парадокс 255

Джинса длина волны 250

—	масса 251

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела
Диск спиральной галактики 262

Диссипация 90, 170

Диссипативный хаос 194

Диссипативные силы 86

— системы 181, 184

— структуры 163, 164, 170

Дрейф заряженных частиц 381

Живое вещество 37

Закон Бойля-Мариотта 432

—	Гей-Люссака 433

—	больших чисел 172

—	внутреннего динамического
равновесия 61

—	возрастания энтропии 99, 103,
148

—	все или ничего (X. Боумена) 61

—	Генри 357

—	действующих масс 144

—	Долло 145

—	излучения Планка 437

—	Кеплера 266

—	минимума (Ю. Либиха) 62

—	незаменимости биосферы (В.Г.

Горшкова) 62

—	Ньютона, второй 205

—	тяготения Ньютона 250

—	обратных квадратов 226

—	распределения 407

—	смещения Вина 440

—	сохранения барионного числа 232

—	сохранения 89, 196

—	сохранения энергии 85-88

—	Стефана-Больцмана 438

—	теплопроводности

—	термодинамики первый 89

—	термодинамики второй 90

—	функционирования биосферы

—	Фурье 74

—	Хаббла 200

—	эволюционно-экологической
необратимости 62

Звезды 271

—	белые карлики 286

—	голубые гиганты 273

—	красные гиганты 215, 282

—	красные карлики 273

—	массивные 274

—	молодые 270

—	металлдефицитные 242, 265

—	нейтронная 284, 287

—	новые 285

—	«нормальные» 214

—	образование 270

—	первые 229, 270

—	переменные 270

—	светимость 213, 274, 283

—	строение 274, 283

—	цвет 213-214

—	эволюция 241, 274, 290

Земля 316,491

—	изменение наклона оси вращения
к эклиптике 360

—	изменения угла прецессии земной
оси 360

—	изменение эксцентриситета
орбиты 359

—	магнитное поле 373-375, 378

—	мантия 329

—	потоки энергии 342

—	радиационный баланс 340, 392

— радиационный пояс 373, 381, 382

—	строение 328

—	сферически-симметричные
модели строения 328

—	тепловой баланс 340

—	уравнение радиационного
баланса 340

—	химический состав 324, 424

--земной коры 331, 428

--континентальной коры 428

—	эксергический баланс 132

—	энергетический баланс 64, 107,

132, 339-342

—	энергетические источники
эволюции 332-334

—	баланс производства энтропии

167, 343

—	ядро внутреннее и внешнее 329

Земная кора 329

—	континентальная 334

—	океаническая 335

Зоосфера 27

Избыточное производство энтропии

166

Индекс Fio.7 310

Информация 76, 191, 192

Ионизация первичная 369, 370

Ионосфера 368, 372

Ионосферная плазма 370-372

Ионосферные бури 389, 390

—	возмущения 389

—	внезапные возмущения 390

—	слои 369, 370

Качество энергии 106, 107

Квазары 268

Климат 351, 359
—	глобальный 348

—	изменчивость 351, 355

—	возмущения 359

Климатообразующие факторы 346

--внешние 347, 359

--внутренние 347

Климатов 45, 46

Климатоэкологическая система 339,
343, 353,441

Кометы 326

Координаты евклидовы 185

—	внешние 81

—	внутренние 81

—	географические 374

—	пространственные 122

—	угловые 256

Космизм 42

Космические лучи 342, 369, 375

--галактические 384, 391

--солнечные 308, 384, 390

Космический мусор 405

Космическое пространство около-

земное 314, 335

Космосфера 25

Коэффициент полезного действия
104

Коэффициенты Онсагера 159

Крабовидная туманность 201

Куксония 337

Ламаркизм 145

Лептоны 221

Литосфера 332

Локальный потенциал 167

Магнитное зеркало 381

Магнитозвуковая волна 380

Магнитопауза 376

Магнито-переходная область 373

Магнитосфера 373, 379

— хвост 368, 376

Магнитосферно-ионосферные
возмущения 388

Магнитосферно-ионосферный
электрический контур 380

Межзвездная среда 264

Межпланетное магнитное поле 304,
375

Мезосфера 362, 364, 366

Местная группа 204,213

Метагалактика 23

Металличность 265

Метеор 278

Метеориты 278

Метеороиды 278

Микроволновое излучение 209, 247,
248

--плотность 224, 440

Микросистемы 122

Минимум Маундера 314

Млечный путь 197, 262

Мохоровичича поверхность 23

Небулярный диск 319

Негэнтропия 152, 153,

— приток 343, 345

Нейтринная астрономия 237

Нейтрино 221

Необратимость 89

Непрерывные среды 158

Неравенство Клаузиуса 98, 100
Неравновесность см. Необратимость
Неустойчивость Бенара 172, 173

Нифе 25

Ноогенез 54

Ноосфера 20, 53-57

Ноосферология 56

Нуклеокосмохронология 241

Нуклеосинтез 209, 290

Облако Оорта 325, 326

Образование Вселенной 198, 217

— Земли 317

— Солнечной системы 229, 318-320

Озон 392, 405

Озоновый слой 336, 364 367

Палеоастрофизика 285

Пангея 334

Параметры 77

— внешние 111, 143

—	внутренние 111

—	замедления 244

—	интенсивные 128

—	макроскопические см. термоди-
намические

—	плотности 244

—	термодинамические 75, 77, 119

—	независимые 77

—	управляющий 181

—	экстенсивные 128

Парниковые газы 338, 347-358, 390,
394, 405

Парниковый эффект 338, 342, 349,
356-358

--величина 349

Пастера точка 336

Педосфера 27, 32, 45

Переменные 77, 79

—	зависимые 77
—	интенсивные 78

—	локальные 167

—	механические 115

—	независимые 77, 115

—	полевые 158

—	случайные 171

—	тепловые 115

—	флуктуирующие 171

—	экстенсивные 78

Петлеобразные структуры 300

Плазменный слой магнитосферы
377-379

Плазмосфера 372, 378, 383

Планетарные туманности 286

Планеты 317-324, 419, 424

Планетезимали 320, 321

Планковская длина 218

Планковская масса 219

Полярные овалы 378

Полярные сияния 377, 380

Полярный ветер 379

Порядок 102, 135,

Порядок из хаоса 149, 150, 176-178

Постоянная Больцмана 83, 341, 417

—	гравитационная 218, 417

—	космологическая 231

— Планка 218, 417

— солнечная 277, 313, 418

— Стефана-Больцмана 341, 417

— универсальная газовая 83, 417

-Хаббла 203,207,417

Потенциал химический 111, 119

— термодинамические ПО, 115-118

Потоки термод инамические 158-159
— теплоты из недр Земли 330, 340
— эксергии 130-131, 133
— энергии на планете Земля 132
----солнечной радиации 132, 277

Пояс астероидов 325, 398

—	внешний радиационный 383

—	внутренний радиационный 382

—	Койпера 325, 326

—	кольцевого тока 382

Предбиосфера 48

Приведенное количество теплоты 95

Принцип внезапного усиления
патогенности 62

—	Космологический 203

—	Ле Шателье-Брауна 17, 62, 141

—	разумной достаточности и
допустимости риска 62

—	Реди Ф. 40

—	удаленности событий 62

—	упорядоченности Больцмана 193

Протогалактики 229, 240, 252

Протозвезды 270-272

Протоземля 320, 321

Протопланеты 320

Протоскопления 240, 251

Протосолнечная туманность 279,
280

Протуберанцы 303-306
— петельные 305

Процессы изоэнтропийные 97
квазистатические 97, 113
— обратимые 74, 79
— необратимые 79, 98-100, 156

Психика 51

Психизм 52

Психозойская эра 20

Пульсары 287

Работа 73, 82

Радиогалактики 268

Распространенность элементов в
земной коре 330, 424

Релаксация 113

Реликтовое излучение см.

микроволновое

Рефлексия 52

Самоорганизация 178, 179

Сверхновые 222

— вспышки 285, 286

Свободная энергия (Гельмгольца)
116
----Гиббса 116
----системы 117, 118

Сиаль 25

Сима 25

Синергетика 181, 182

Синэкология 12

Системы адиабатически изолиро-
ванные (изолированные) 76, 91
— биологические 189
— время релаксации 113
— границы 76
— диссипативные 164, 181, 185
— замкнутые (закрытые) 76
— квазистацион арное 112
— консервативные 81
— макроскопические 75
— механические 81
— неконсервативные 84
— неравновесные 163-165, 182
— открытые 76, 77
— равновесные 77, 184
— реальные 83, 151
— стационарное 112, 180
—	термодинамические см. макро-
скопические

—	химическое равновесие 111

Скалярные поля 231

Склеросфера 25

Скорость антропогенного
воздействия 144

—	движения Местной группы 213

--Солнечной системы 213

—	пекулярная 212

—	Хаббла 208

Сложность — простота 149

Сознание 51

Солнечная активность 301

—	небула 280, 319

—	светимость 277

—	система границы 309

Солнечно-земные связи 386-389

Солнечные вспышки 306, 307

—	пятна 300-302

—	циклы 301, 310

Солнечный соляной пруд 138

—	ветер 300, 309

Солнце 215, 274, 418

—	активная область 303

— атмосфера 294-297

— конвективная зона 276, 293-294

— корона 276,299

—	корональные дыры 299 315

--выбросы массы 302, 308

—	спокойное 292

—	строение 276, 293

—	спектр излучения 278

— термоядерные реакции 272

— факелы 301,304

— флоккулы 304-305

— фотосфера 294

— химический состав 279,291,425

— хромосфера 293, 297-300

--вспышки 301

Соотношения Онсагера 159

— взаимности 160, 161

Социосфера 28, 55

Спикулы хромосферные 298, 306

Спрэй 305

Стандартная модель Вселенной 198

— Земли 329

— Солнца 275, 280

Статистический вес

Стратосфера 363, 364

Стрела времени 99

Стримеры 299, 300

Структурный анализ 61

Суббуря 379

Суперэкотоксиканты 405

Температура 75, 77, 79

— пороговая для рождения пар
частица-античастица 221-225

Температурные шкалы 80

Теорема Карно 90-92, 98
модерации 141
— Нетера 88
— о минимуме производства
энтропии (Пригожина) 1-12, 161-
162

Теория биологической регуляции
окружающей среды 17, 144
— бифуркаций 169, 171, 174
— глобальных изменений биосферы
406

—	единая — поля (материи) 198

—	информации 192

—	Клаузиуса 96-98

—	климата Миланковича 360

—	относительности общая 157

—	относительности специальная
(частная) 87

—	первичного нуклеосинтеза

—	равновесных флуктуаций 171

—	размерностей 218

—	самоорганизации 153

—	синтетическая эволюции 153

—	стационарного состояния 200

—	теплородная теплоты 72
— тяготения квантовая 218
	Ньютона 200, 205, 255
	Эйнштейна 217

—	эволюции 145, 146, 157

—	Максвелла 198

Тепловая машина 73, 90-92

Тепловое загрязнение окружающей
среды 81

Тепловой насос 108-110

Теплоемкость 83

Теплород 72-73

Теплота 70-72, 74

Термодинамика 64-65, 316

—	первое начало 104

—	второе начало 104

—	линейная неравновесная 160-162
— необратимых процессов 158-160
— обратимых процессов 99, 110-

113

—	нулевое начало 75, 79

—	флуктуации 103

Термодинамическая ветвь 169

Термодинамические циклы 90, 433
— процессы 78, 90
----адиабатические 91, 97
----изобарические 118
---изотермические 92-95, 435
---изохорические 117

— силы 158

Термосфера 24, 362, 364—368

Террабиосфера 27

Техносфера 28, 55, 60
Точка Пастера 336
Тропосфера 357,364

Упорядоченность 151-152

— через флуктуации 172, 173

Уравнение состояния 66, 77, 111

---калорическое 114

---термическое 114

Усредненная активность Солнца и
климатологические тенденции
391

Фазовые траектории 99, 180
Филогенез 50, 55

Фитосфера 27

Фитоценоз 45-46

Флуктуации 103, 167, 171
Формула Больцмана 101
Функции состояния 32, 79

Хаос 104, 150, 178, 186

— детерминированный 179, 188
диссипативный 194
Хаотический режим 186
Холистический подход 30
Хондриты 318, 397, 428
Хрофесима 25

Циклы Карно 90-92

Черное тело 437

Черные дыры 247
Числа Вольфа 310
Число Авогадро 83, 417

Эволюция 144

—	звезд Галактики 241

—	концепция Шредингера 151

—	протогалактического облака

—	универсальный критерий Приго-
жина 166,190 •

Эдафотоп 45, 46

Эквивалентность теплоты н работы
82

Экзогенные процессы 21

Экзотермические реакции 143

Экосистема 12-14

Экология 12-15, 70

—	глобальная 15, 18

Экологические факторы 29, 44

Экологический кризис 155, 400

Экватор геомагнитный 374

—	солнечный 301, 311

Экзосфера 365

Эклиптика 317, 360

Эксергия 119, 124, 128-131

Эмерджентные свойства 30

Эмерджентность 61

Элементарные частицы 225

Эндогенные процессы 21

Эндотермические реакции 143

Энергия 68-70, 80, 85

—	аккреционная 333

—	внутренняя 95

—	гравитационного взаимодействия
218, 223, 253

—	качество 106, 107

—	кинетическая 81

—	механической системы 82, 85

—	потенциальная 81

—	свободная Гиббса 116

—	средняя кинетическая молекул
идеального газа 83

Энергетический кризис 107, 403

Энтальпия 116

Энтропийное загрязнение окружаю-
щей среды 403

Энтропийный кризис 107, 345, 401-
404

—	насос 154

Энтропия 89, 95-97

—	избыточное производство 166

—	на один протон во Вселенной 210

—	скорость производства 99

Эпифеномен 54

Эффект Соре (термодиффузия) 160

—	Дюфура 160

Эффективная температура

—	Земли 341

—	гравитационного излучения 227

—	микроволнового излучения 210

—	Солнца 277, 418
Учебное издание

Геннадий Николаевич Белозерский

Введение в глобальную экологию

Учебник

Редактор Т.Н. Косовцова
Художественный редактор Е.И. Егорова
Корректор С.С. Алмаметова
Компьютерная верстка Ю.Ю. Тауриной
Лицензия АР Na 040050 от 15.08.96

Подписано в печать 19.07.2001. Формат 60*90'/ie. Печать офсетная.
Печ. л. 29. Уч.-изд. л. 27,61. Тираж 1000 экз. Заказ 427.
Издательство СПбГУ. 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Типография Издательства СПбГУ.

199061, Санкт-Петербург, Средний пр., 41.