Text
                    И.И.Мазур, О.П.Иванов
ОПАСНЫЕ
ПРИРОДНЫЕ
ЭКА <Н«МИЬ\

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Академия гражданской защиты Кафедра устойчивости экономики и жизнеобеспечения И.И. Мазур, О.П. Иванов ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ вводный курс УЧЕБНИК Утверждено Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий в качестве учебника для студентов и курсантов высших учебных заведений, готовящих специалистов по специальности "Защита в ЧС" t£i Москва "Экономика" 2004 www.economizdat.ru
УДК [504.4+614] (075.8) ББК 20.1я73+51.1(2)2я73 М 12 Федеральная программа поддержки книгоиздания России Рецензенты: Мищенко В.Ф. Шпаковский Ю.Г. Рукин М.Д. докт. хим. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, директор Института развития МЧС России; докт. юрид. наук, профессор, первый заместитель ЦСИ ГЗ МЧС России, генерал-майор; докт. техн. наук. t Иванов О.П., 2004 © Мазур И.И., 2004 <8 Оформление ЗАО «Издательство «Экономика», 2004
Предисловие Стратегическими целями уходящего XX в. были технический прогресс, расширенное воспроиз- водство с преобладанием тенденций экстенсив- ного роста за счет природных ресурсов. Итогом гонки за обладание природными и техническими ресурсами стали глобальные экологические проблемы, обострение социальной напряженно- сти и осознание резко возросшего риска бытия. Сегодня на Земле не найдется места, где не случались бы природные бедствия. В последние 10 лет количество катастроф в мире почти удво- илось со 110—130 до 288 в год. По данным МЧС России, только за 1990—1999 гг. в нашей стране было зарегистрировано 2877 событий чрезвы- чайного характера, связанных с опасными при- родными процессами. За последние 35 лет из-за перечисленных бедствий на Земле погибло 3,8 млн человек, а пострадало 4,4 млрд, т.е. почти 3/4 человечест- ва. В России за тот же период, по неполным данным, погибло 4,5 тыс. человек, а пострада- ло 540 тыс. Возможность эффективной борьбы с опас- ными природными процессами заключается в знании не только их генезиса и характера раз- вития, но и причин всевозрастающего роста по- терь общества. Первой причиной считают темп роста наро- донаселения. Если в начале XIX в. численность населения составляла всего лишь 1 млрд, сего- дня — более 6 млрд, то к 2050 г. ООН прогнози- рует 8,9 млрд человек. Второй причиной является процесс урба- низации. Численность городского населения рас- тет еще более быстрыми темпами. Если в 1830 г. в городах проживало чуть более 3% населения, в 1960 г. — 34%, то в 2020 г. оно будет составлять не менее 57,6%. Ожидается, что к 2020 г. суммар- ная площадь городов увеличится на 2,6 млн км2 и составит около 4% площади суши. Особенно бы- 3
Предисловие стро разрастается площадь мегаполисов. Например, территория Мехико, населе- ние которого к 2010 г. достигнет 30 млн человек, с 1940 по 1990 г. увеличилась со 130 до 1250 км2. Территория Москвы за то же время возросла с 326 до 994 км2. Зачастую приходится осваивать непригодные для строительства склоны холмов, поймы рек, заболоченные участки и прибрежные территории, которые, несом- ненно, увеличивают риск бытия. Именно на территории городов, где высока плотность населения и где скон- центрирована техногенная инфраструктура, приходятся наибольшие социальные и материальные потери. Города России подвержены воздействию ряда опасных процессов. Например, наводнениям подвержено 746 городов, оползням и обва- лам — 752, землетрясениям — 103, смерчам — 500, лавинам — 5, селям — 9, воз- действию цунами — 9 городов. В последнее время значительное внимание привле- чено к техногенным физическим полям: вибрационным, температурным и полям блуждающих электрических токов. Наиболее опасны поля блуждающих токов, кото- рые образуются за счет утечек с электрифицированного рельсового транспорта, за- земленных промышленных установок и станций катодной защиты. В результате в 5—10 раз повышается коррозионная активность грунтов. Установлено, что около 30% повреждений в трубах на территории Москвы приходится на долю электро- коррозии от блуждающих токов. Примерно 24% площади города отнесено к терри- ториям с высокой степенью коррозионной опасности, на которых электрические поля блуждающих токов в сотни раз превышают естественный фон. В городах под тяжестью зданий, динамических транспортных нагрузок и извлечения под- земных вод происходят локальные просадки поверхности земли. В северо-восточ- ной части Токио с 1920 по 1980 г. уровень земной поверхности снизился на 4,5 м. В результате возросла опасность затопления города нагонными водами штормов. Опускается земля и на территориях, где добывают нефть и газ. Самый впечатля- ющий пример — город Лонг-Бич в Калифорнии (США). Из-за добычи нефти и га- за в этом районе город опустился на 8,8 м, а горизонтальное смещение состави- ло 3,7 м. Понижение территорий городов в совокупности с уменьшением инфильтру- ющих способностей почв из-за широкомасштабного асфальтирования создает еще одну техногенно-природную неприятность — подтопление территорий горо- дов. В России в подтопленном состоянии находится 800 тыс. га городских террито- рий. Из 1092 городов России подтоплены 960 городов, включая Москву, Санкт-Пе- тербург, Новосибирск, Омск, Томск, Хабаровск, Казань, Ярославль. Это составляет 88% всех городов России. Третья причина — глобальное потепление, которое отмечено в последние го- ды. Оно начинает существенно менять режим обмена между атмосферой и океа- ном, поэтому на наших глазах резко меняются погодные и климатические условия, вместе с этим растет ущерб от создавшихся метеогенных условий. В будущем по- вышение уровня Мирового океана из-за таяния ледников неизбежно приведет к от- ступлению береговой линии вглубь континента. В то же время границы сплошной мерзлоты будет смещаться на север: к 2020 г. — на 50—80 км, к 2050 г. — на 150— 200 км. Соответственно увеличится количество осадков и, следовательно, навод- нений, оползней и др. 4
Предисловие Еще одна причина— воздействие человека на окружающую природную сре- ду. Мы извлекаем нефть, уголь и газ из земных недр в неимоверных количествах, т.е. глобально вмешиваемся в окружающую среду. В результате возникают наве- денная сейсмичность, опускание территорий, подтопление, провалы, техногенные геофизические поля. Техногенные воздействия ускоряют накопление напряжений в земной коре, увеличивая частоту землетрясений. Наиболее часто наведенная сейсмичность проявляется при создании крупных водохранилищ и закачке флюи- дов в глубокие горизонты земной коры. Существует мнение, что крупные земле- трясения в Газли (Узбекистан), произошедшие в 1976 и 1984 гт., относятся к раз- ряду наведенных, спровоцированных закачкой около 600 млн м3 воды в Газлий- скую структуру. И наконец, еще одна чрезвычайно важная проблема мутация вирусов. За- щитный иммунитет на организменном уровне не готов к столь быстрым измене- ниям направления атак, современная медицина пока не может адекватными тем- пами перестраиваться. Мы начинаем сталкиваться с новыми агентами агрессии, к которым почти не готовы, а это означает, что методом проб и ошибок мы реша- ем новые задачи катастроф. Природные опасности должны обязательно учитываться при экономическом планировании. Прежде чем возводить сооружение, жилища, расширять террито- рию городов, необходимо сделать оценку территорий с точки зрения степени ее природного риска. Мировой опыт показывает, что затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к природным событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по сравнению с предотвращенным ущербом. Осознание учеными реалий негативного взаимодействия природы и общества позволило сформулировать иные императивы на XXI в. Во главу угла ставятся ус- тойчивость, безопасность, качество. Ведущей тенденцией становится междисцип- линарный синтез и поиск ключевых параметров управления развитием социума. Сегодня ученым недостаточно предоставить обществу выбор, надо изучить его по- следствия и выяснить цену этого выбора до того, как он будет сделан, ибо цель об- щества — защита жизни и интересов человека. Успех зависит не только от новых научных взглядов на системность мира, на нелинейность взаимодействия сложных систем, но и от новых способов управления рисками катастроф и стихийных бед- ствий. Необходимы конкретная система программных мер по снижению рисков и смягчению последствий чрезвычайных ситуаций и соответствующие государствен- ные структуры, одной из которых и является МЧС России. История создания МЧС начинается с 1990 г. После аварии на Чернобыльской АЭС и землетрясения в Армении стало очевидно, что в России нет профессио- нальной службы, способной реагировать на чрезвычайные ситуации мирного вре- мени. 27 декабря 1990 г. было принято постановление Совета Министров РСФСР о создании Российского корпуса спасателей на правах государственного комите- та. Помимо спасательных формирований, дислоцированных по всей стране, потре- бовались структуры, работающие на оснащение спасателей, в области научного прогнозирования и предупреждения, создающие новые спасательные технологии. Уже тогда появилась необходимость в создании своих учебных заведений и поли- 5
Предисловие гонов для проведения тренировок, учений, соревнований. Так постепенно рожда- лось ведомство, которое в 1994 г. стало называться Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвида- ции последствий стихийных бедствий. Сегодня МЧС России — это четко работа- ющий механизм управления рисками. Оно способно оперативно реагировать на любую ЧС природного и техногенного характера. На оснащении спасателей и войск ГО находятся современные спасательные технологии. Авиация МЧС — это десятки самолетов и вертолетов различного назначения. Сегодня Россия облада- ет уникальными технологиями тушения пожара с воздуха, которые не раз приме- нялись как в нашей стране, так и за рубежом. Российские спасатели работают в полном контакте с лучшими спасательными службами мира. Первый опыт показал, что практика только реанимационного или оперативно- го подхода не решает проблему в целом. Необходима была новая идеология проти- водействия катастрофам и разработки на ее основе государственной стратегии в области снижения рисков и смягчения последствий ЧС. Основные усилия должны быть сосредоточены на реализации научно обоснованной и экономически целесо- образной системы превентивных мер. Именно поэтому МЧС России вкладывает значительные средства в развитие технологий предупреждения, предотвращения ЧС. На этом пути уже достигнуты существенные результаты. Так, например, разра- ботками российских ученых в области прогнозирования землетрясений, наводне- ний и лесных пожаров интересуются ведущие западные научные центры, с которы- ми мы работаем в тесном контакте. Наступает новый этап развития единой государственной системы предупреж- дения и ликвидации ЧС. Основное внимание будет уделяться проблеме снижения рисков и смягчения последствий ЧС, т.е. осуществлению комплекса мероприятий, проводимых заблаговременно и направленных на максимально возможное умень- шение риска, а также на сохранение здоровья людей, снижение размеров ущер- ба, нанесенного окружающей природной и социальной среде. В рамках практической реализации решения этой задачи был создан Все- российский центр мониторинга и прогнозирования ЧС как головная структура всей системы. Были предприняты первые шаги по созданию и развитию сети ре- гиональных и территориальных центров мониторинга и прогнозирования ЧС. Важнейшим направлением деятельности в этой сфере стало приоритетное развитие и внедрение в практику новых наукоемких технологий мониторинга и про- гнозирования ЧС, наиболее характерных для территории России. Некоторые дос- тижения в этой области получили в настоящее время международное признание. Так, например, технология оперативного прогнозирования последствий разруши- тельных землетрясений была принята в качестве базовой и поставлена на опытную эксплуатацию и дежурство в интересах европейского и мирового сообщества. Особое внимание обращается подготовке и переподготовке высококвалифи- цированных кадров на базе Академии гражданской защиты МЧС. Сложность этой задачи состоит в том, что любой сотрудник МЧС должен быть специалистом крайне широкого профиля, умеющий быстро и адекватно реагировать в любой сложной обстановке. По сути здесь создается образ специалиста междисципли- нарного профиля. 6
Предисловие Именно поэтому целью данного учебника является предоставление обучаю- щимся знаний современного уровня по всему спектру опасных природных про- цессов. Впервые изложение курса ведется с единых позиций синергетического анализа на базе исследования структуры, эволюции и взаимодействия сложных открытых систем природных процессов. Подобный подход позволяет курсантам осознать, при каких условиях стихийные явления переходят в опасные природ- ные процессы с поражающими факторами и как они развиваются. Это дает пра- ктическую возможность правильно строить стратегию профилактической и опе- ративной защиты, тактику спасения и ликвидации последствий. Опасные природные процессы (ОПП) — это нелинейные, а порой и экстре- мальные явления взаимодействия природных систем или процессов с социальны- ми и экологическими системами, в результате которых возникают поражающие фа- кторы, наносящие ущерб и потери обществу и природе. Спектр опасных природ- ных процессов весьма широк, что предопределяет многообразие генезиса; меха- низмов развития; масштабов, скоростей и энергий проявления; длительности воздействия и различие поражающих факторов. Поэтому здесь нельзя, как в обычных традиционных дисциплинах — математике, физике, химии и т.д., выде- лить конкретный предмет исследований. Многообразие исследуемых объектов предполагает междисциплинарный подход. Дисциплинарный подход решает конкретную задачу, возникшую в историче- ском контексте развития предмета, подбирая методы из устоявшегося инструмен- тария. Прямо противоположен междисциплинарный подход, когда под данный универсальный метод ищут задачи, которые эффективно решаются им в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Это, с точки зрения В.Г. Бу- данова, принципиально иной способ структурирования реальности, где господ- ствуют скорее полиморфизм языков и аналогия, нежели каузальное начало. Здесь ход от метода, а не от задачи. Основным методом исследования в данном учебнике выступает метод сис- темного синергетического анализа эволюции взаимодействий сложных открытых систем, а следовательно, развития опасных природных процессов. Учитывая, что синергетика весьма молодое междисциплинарное направление, а курс «Опасные природные процессы» является как бы вводным, синергетический инструмента- рий предлагается на качественном уровне, доступном для понимания студентами и курсантами 2-го курса. Тем не менее это формирует у них не только професси- ональную, но и современную мировоззренческую базу представлений. Учебник состоит из вводной части и трех разделов. Во вводной части слуша- тели знакомятся с характером экологических кризисов в истории Земли. Они по- знают, что кризисы — это свойство любой эволюционирующей сложной системы, взаимодействующей с другими системами. Завершает введение очерк о глобали- зации современных экологических проблем как негативной специфической черте взаимодействия общества и природы. В разделе I рассматриваются основные принципы возникновения системного устройства мира, закономерности эволюции и взаимодействия сложных открытых систем. Дается сравнительный анализ эволюции биосферы и ноосферы и обосно- вание генезиса глобальных экологических проблем. Далее кратко излагаются 7
Предисловие структура и динамика систем Вселенной, Нашей Галактики, Земли и ее подсис- тем: магнитосферы, атмосферы, гидросферы, литосферы. Взаимодействие подсис- тем Земли и космоса рассматривается как основной источник ОПП. В заключе- нии раздела излагаются общие принципы прогноза ОПП. Раздел II учебника посвящен классификации опасных природных процессов и рассмотрению каждого генетического вида ОПП с учетом негативных специфик развития, поражающих факторов. Рассматриваются конкретные ситуации прогно- за, профилактических мероприятий и спасательных работ. Авторский вариант классификации и анализа ОПП по генезису является наиболее полным и логиче- ски обоснованным по сравнению с классификациями в учебниках подобного типа. Привлекательной стороной является использование современных научных мате- риалов по рассмотрению механизмов развития ОПП. Раздел III учебника посвящен стратегии минимизации риска бытия и включает два взаимно согласующихся подраздела: основные принципы оценивания ущерба от ОПП и основы теории управления риском и районирования. Для лучшего усвоения материала в учебнике приведено большое количество иллюстраций.
В ведение Взаимоотношения природы И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА — ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
Экологические кризисы в истории Земли Современные палеонтология и палеобиология ба- зируются на том, что в истории Земли происходили спонтанные (скачко- образные) нарушения хода равномерного развития биоты, когда одни груп- пы организмов уступали ведущее место в экосистемах более совершенным группам организмов. Осознание огромной роли закономерностей немоно- тонного развития жизни на Земле только еше начинается, и немалое значе- ние в этом сыграли не только исторические исследования, но и современные данные о кризисах развития человеческого общества. Стремление понять ис- тинные причины немонотонности развития и роли воздействия внешней среды на процесс эволюции преследует не только научные, но и сугубо пра- ктические цели. Знание причин предполагает возможность предсказания опасных ситуаций, своевременной защиты и снижения риска бытия. Начи- ная учебник с этого раздела, мы рассчитываем выработать у читателя еди- ную методологию подхода к анализу кризисных ситуаций, это понадобит- ся для осмысления других разделов учебника. Представления о том, что в истории Земли случались биотические кризисы различного масштаба, когда одни группы организмов уступали место в экосистемах другим, имеют давние корни (мифологические пред- ставления разных народов, история о «Великом потопе», древние хроники и др.). Наиболее современная интерпретация этих представлений отраже- на в работе Ж.Кювье по «теории катастроф», согласно которой в прошлом возникали почти глобальные катастрофы, приводившие к уничтожению значительной части обитателей суши и морей. Через расселины катастроф ощутите содрогание Земли, но тем же утесом взойдете на сферу Мировых пониманий. Агни Йога В XX в. на основе накопленной информации появились научные ра- боты, последовательно приближающие нас к более достоверным выводам. Это работы И. Вальтера, Д.Н. Соболева, А.С. Алексеева, В.В. Жерихина, А.С. Раутиана, Н.Н. Воронцова и др. В задачи учебника не входит детальный обзор известной научной литературы Поэтому мы ограничимся кратким обсуждением и собственными выводами в свете системных представлений. 10
1. Экологические кризисы в истории Земли Биологическая эволюция — это процесс целенаправленного последова- тельного приобретения экосистемами необратимых и устойчиво воспроизво- дящихся свойств с целью адаптации к постоянно изменяющимся природным условиям. Естественно полагать, что этот процесс постепенный. Однако ок- ружающая среда может испытывать стремительные изменения, и тогда ряд экосистем оказываются не готовыми к столь быстрой перестройке и вынуж- дены уходить со сцены эволюции. Масштабные ситуации, которые негатив- но затрагивают множество экосистем, принято называть глобальными биоти- ческими кризисами. Фактически это критические периоды (10—15 млн лет) перестройки структуры всей биосферы. Важнейшей составной частью та- ких кризисов являются массовые вымирания биоты. На освободившихся экологических нишах происходит «омоложение» сообществ различного уров- ня, что обеспечивает ускоренную эволюцию всей биосферы в целом [Алек- сеев А.С., 1989]. Наиболее чутким показателем состояния биосферы является таксономи- ческое разнообразие всей биоты. Оно зависит прежде всего от устойчивости среды Например, современные фауна и флора, свойственные полярным об- ластям (неустойчивая среда), характеризуются низким таксономическим разнообразием, тогда как в тропиках и в океане, где постоянство условий су- ществования сообществ выдерживается достаточно длительное время, раз- нообразие максимально [Алексеев А.С., 1989]. Следовательно, любая значи- тельная дестабилизация окружающей среды будет приводить к снижению разнообразия биоты и даже к глобальному биотическому кризису. На рис. 1 приведены изменения таксономического разнообразия морской биоты на уровне семейств в фанерозое. Наибольший интерес при изучении биоти- ческих кризисов представляют массовые вымирания (МВ) — более или менее одновременное в глобальном масштабе исчезновение многих так- сонов высокого ранга, принадлежащих различным группам организмов, и резкое сокращение численности тех таксонов, которые полностью не исчезают. Среди них отчетливо выделяются 4—5 наиболее крупных вымираний. Они настолько резко запечатлены в палеонтологической летописи, что стали одной из причин разделения фанерозоя (600 млн лет) на три эры: палеозой- скую, мезозойскую и кайнозойскую. Кроме того, легко распознаются еще около 15 событий меньшей амплитуды и продолжительности. Всего же, по наиболее оптимистичным опенкам, можно насчитать до 29 событий МВ. Первый вывод, напрашивающийся из этого анализа: всей природе имманент- но присуще нестабильное развитие. Оно изобилует резкими изменениями в процессе эволюции. Цель каждого ученого — найти главную причину столь значимых ка- тастрофических событий, чтобы владеть волшебным «зеркалом» прогноза. Попробуем оценить реалии. 11
Введение Для наиболее крупных вымираний указаны проценты исчезающих семейств. Условные обозначения: Е — кембрий; О — ордовик; S — силур: D — девон; С — карбон; Р — пермь; Т — триас; J — юра; К — мел; ₽ — палеоген; N — неоген; п — число семейств. Рис. 1. Динамика вымирания семейств морских организмов в фанерозое [Алек- сеев А.С., 1989] 12
/. Экологические кризисы в истории Земли Большие массовые вымирания Наиболее полный анализ по данному вопросу сде- лан А.С. Алексеевым (1989 г.). Мы частично воспользуемся его данными, чтобы сопоставить причины вымирания. Ордовикско-силурийское МВ. Только в конце ордовика исчезло свыше 40% ролов морских организмов. Согласно подсчетам Д. Раупа и Дж. Сеп- коски (1986), скорость вымирания составила 19,3 семейства за 1 млн лет. В качестве причины обычно указывают оледенение с центром, располо- женным в Северной Африке, которое вызвало глобальную регрессию (по- нижение уровня) моря. Пермско-триасовое МВ. Исчезло около половины семейств и свыше 90% родов морских животных. Фактически почти исчезли палеозойские живот- ные. В качестве причины чаше всего рассматривается сильнейшая регрессия в течение второй половины пермского периода, когда шельфы либо полно- стью осушились, либо были заняты эвапоритовыми (солеными) бассейнами, кроме того, нарастала сезонность климата с элементами кратковременных похолоданий. При этом отметим, что максимальное число животных и рас- тений обитает в зоне проникновения солнечного света, т.е. на шельфе. Триасово-юрское МВ. По имеющимся оценкам [Рауп Д.М., Сепкоски И.И., 1982]. на переходе от палеозоя к мезозою (норийский век) скорость вымирания морских животных составила 10,8% семейств за 1 млн лет. Причины данного МВ пока полностью не ясны. Мел-палеогеновое МВ. Фиксируется на всех таксономических уровнях. Только в маастрихтском веке перестало существовать 16,3% семейств, исчез- ло 43,9% родов. В целом уровень вымирания видов из 9 групп достигает 90%. Отмечается падение продуктивности фотосинтезирующих организмов на протяжении нескольких миллионов лет в палеоцене. Основная гипотеза, претендующая на главную причину: падение крупного астероида на поверх- ность Земли. В тонких прослоях глин этого периода обнаружено повышен- ное содержание осьмия и иридия — редких химических элементов в земных породах. Повышенное содержание их связывают в основном с космиче- ским происхождением. Малые массовые вымирания Франско-фаменское МВ. Уровень вымирания семейств морских живот- ных оценивается в 13,2%. В этот период зафиксированы следы развития обстановок без кислорода, похолодания и вулканической активности. 13
Введение Фаменско-турнейское МВ. Уровень вымирания семейств морских жи- вотных оценивается в 14%. Для этого периода характерна глобальная пере- стройка среды. В это время в морских бассейнах развились безкислород- ные, застойные обстановки. Серпуховско-башкирское МВ. Уровень вымирания составляет около 35%. Причины неясны. Сеноманско-туронское МВ. По данным А.С. Алексеева, вымирание для морских и наземных животных на уровне семейств составляет 5,2%. Однако в это же время появляется 18,5% новых семейств. Наиболее популярными объяснениями МВ являются резкие колебания уровня океана и развитие безкислородных обстановок. Эоценово-олигоценовое МВ морских животных оценивается в 2% на уров- не семейств. Отмечено также вымирание млекопитающих животных в на- земных биоценозах. В качестве причины рассматривается глобальное похо- лодание. Считается, что именно с этого времени возник современный океан с холодными придонными водами, сформировалось оледенение. Плейстоценово-голоценовое МВ (10—II тыс. лет назад) и современные МВ. Исчезло большое число родов и видов преимущественно крупных млекопитающих. Диахронность этого события на разных материках увязы- вается с заселением человеком неосвоенных пространств и с истреблени- ем крупных животных в результате быстрого роста человеческого населе- ния и хищнического обращения человека с природой. Все это обусловлено также техногенным совершенствованием деятель- ности человека. Самое массовое вымирание, по-видимому, еще впереди. По имеющимся оценкам, дождевые леса могут исчезнуть к 2050 г., а вме- сте с ними — множество обитающих там видов. Современные вымирания удобно разделить на несколько экологических кризисов. Это связано с тем. что человеческая популяция не испытывала в это время сильных сокраще- ний. Все зависело от нескольких параметров: роста численности человече- ских групп, их оснащенности оружием для охоты и способности мигриро- вать на новые территории, что давало возможность для более широкой адаптации. Наиболее полный анализ этого периода приведен у Н.Н. Ворон- цова в работе «Экологические кризисы в истории человечества» (1999 г.). Ограничимся кратким изложением этого раздела. Первый экологический кризис. Характеризуется вымиранием мамонтов, шерстистого носорога, пещерного медведя и пещерного льва. На Пржедмо- стской стоянке палеолитического человека (Чехия) были найдены останки тысячи мамонтов. Под Новосибирском на стоянке Волчья Грива обнаруже- ны кости мамонтов от 2 тыс. особей (возраст 12 тыс. лет). В декабре 1994 г. французские спелеологи открыли пещеру Шове — древ- нейшую из известных галерей верхнепалеолитического искусства. Возраст ее 14
1. Экологические кризисы в истории Земли фресок — 31 тыс. лет! Пещера Шове открывает новый спектр изображе- ний млекопитающих того времени. Наряду с относительно редкими ри- сунками мамонта (среди них изображение мамонтенка, поразительно на- поминающее обнаруженного в вечной мерзлоте Магаданской области ма- монтенка Диму), альпийского козерога в пещере есть много изображений двурогих носорогов, нешерстистых носорогов, пещерных медведей, пещер- ных львов, тарпанов. Уничтожены были мамонты, пещерный лев и пещер- ная гиена. Исчез пещерный медведь, который по размерам вдвое превышал бурого медведя. Этот вид был приурочен к карстовым ландшафтам и стал не только конкурентом человека по использованию убежищ, но и важным объектом охоты. Массовому уничтожению подверглись зубры. Загонно-облавная охота на крупных млекопитающих могла прокор- мить ограниченные по численности популяции человека. Согласно расче- там В.М. Массона, во времена верхнего палеолита в эпоху ашель в Пруто- Днестровском междуречье могли существовать 10—12 охотничьих орд об- щей численностью 250—300 человек. В эпоху мустье население этой терри- тории возросло на треть и составило 320—370 человек. В пищу в основном использовалось мясо пещерного медведя, тарпана, зубра, северного оленя, на долю которых приходилось до 83% добычи. Увеличение численности на- селения усиливало антропогенный пресс и привело практически к полному истреблению пещерного медведя. На территории Молдавии известны па- леолитические стоянки времен ашеля и мустье, где найдены останки до 6 тыс. особей пещерного медведя. К концу верхнего палеолита пещерный медведь исчезает из рациона первобытного человека и на Кавказе. Интен- сивный антропогенный пресс испытали и другие виды млекопитающих, хотя они и не были полностью уничтожены. На стоянке Солютре (середи- на верхнего палеолита) во Франции были найдены останки около 10 тыс. диких лошадей — тарпанов. На Амвросиевской стоянке на Украине были найдены останки тысяч зубров. Постепенный рост численности населения в верхнем палеолите, ис- требление человеком одних видов и сокращение популяции других приве- ли человечество к первому в истории экологическому и экономическому кризису. Загонно-облавная охота на многих копытных животных равнин- ных и горных ландшафтов не была эффективной, так как их трудно до- быть с помощью копья. Кардинальный выход из этого экологического кризиса был найден в ходе неолитической революции. Второй экологический кризис относится к мезолиту. В это время был изобретен лук, что способствовало расширению охотничьих приемов, на- пример, возникла охота с собаками. На рисунках мезолита впервые появля- ются сцены сражений. В жизнь человечества вошли войны. Расселившийся по Ойкумене человек продолжал и в мезолите наступление на природу. Од- ной из первых жертв береговых поселений зверобоев на тихоокеанском по- 15
Введение бережье Америки и на Алеутских островах стала морская корова. Этот круп- нейший вид сирен обитал от севера Хоккайдо через Курилы и юг Камчатки к Командорам, Алеутским островам и по тихоокеанскому побережью Север- ной Америки. Известны находки черепов этого вида сирен близ Сан-Фран- циско, датируемые по радиокарбону возрастом в 22,5—19 тыс. лет. Еще 12 тыс. лет назад морская корова встречалась на Алеутах. С появлением позднепа- леолитических и неолитических зверобоев она исчезала. На Командорах она дожила до экспедиции Беринга и была полностью истреблена русскими зве- робоями за 27 лет. То, что морская корова дожила на Командорах до XVII1 в., служит косвенным свидетельством заселения человеком Северной Америки через Берингийский мост, а не через Командоро-Алеутскую гряду. За мезолитом (в разные сроки на разных территориях) наступил не- олит. Для этого периода характерным является изготовление шлифованных каменных орудий, изобретение сверления камня, появление топора, изо- бретение формовки и отжига глины для изготовления посуды. Соответст- венно выделяют докерамический и керамический неолит. Главным событием эпохи неолита была так называемая неолитическая революция — переход от собирательства и охоты к растениеводству, связан- ному с возникновением культурных растений, и животноводству, связанно- му с одомашниванием животных. Для домашних животных требовались па- стбища. и дикие животные вытеснялись с мест своего коренного обитания. Итогом неолитической революции стало возникновение сельского хо- зяйства, которое распространялось в страны Средиземноморья, юга Евро- пы и далее на восток. Возник сильнейший антропогенный пресс на паст- бища и пашни. Перейдя от собирательства и охоты к земледелию и животноводству, человечество стало обеспечивать себя продуктами питания, в результате его численность росла. Одновременно быстро увеличивалось поголовье до- машних животных — это миллионные популяции домашних коз и овец, несколько десятков тысяч голов крупного рогатого скота, лошадей, ослов и верблюдов. С целью расширения земледельческих угодий наши предки сжигали леса и на пожарищах разбивали поля. Из-за примитивного земле- делия земля быстро истощалась, тогда сжигались новые леса. Сокращение площади лесов вело к снижению уровня рек и грунтовых вод. Крупнейшим экологическим результатом неолитического скотоводст- ва стало возникновение пустыни Сахара. Как показали исследования французских археологов, еще 10 тыс. лет назад на территории Сахары бы- ла саванна, в ней жили бегемоты, жирафы, африканские слоны, страусы. Человек в результате перевыпаса стад крупного рогатого скота и овец пре- вратил саванну в пустыню. Пересохли реки и озера — исчезли бегемоты, погибла саванна — исчезли жирафы, страусы, большинство видов антилоп. Вслед за гибелью североафриканских саванн исчез и некогда многочислен- ный здесь крупный рогатый скот. 16
1. Экологические кризисы в истории Земли Важным результатом освоения земледелия стало появление рядом с че- ловеческими поселениями синантропных животных. На запасах зерна кор- мились домовые мыши. От дикоживущих видов домовых мышей в течение 10—12 тыс. лет обособились синантропные виды, живущие в домах. Позд- нее, с развитием крупного зернового хозяйства, появились курганчиковые мыши, которые жили в зерновых полях, создавая в своих курганчиках за- пасы зерна. Опустынивание обширных территорий в неолите стало причиной вто- рого экологического кризиса. Из него человечество вышло двумя путями: 1) за счет продвижения на север, где по мере таяния ледников освобожда- лись новые территории; 2) за счет перехода к поливному земледелию в до- линах великих южных рек — Нила, Тигра и Евфрата, Инда и Ганга, Янц- зы и Хуанхэ. Именно там возникли древнейшие цивилизации. Поливное земледелие было несомненным прогрессом. Повысилась уро- жайность, увеличились поселения человека, возросло число ирригационных каналов. Однако рост численности домашних приводил к опустыниванию около населенных пунктов. Козы уничтожали деревья. Перевыпас способ- ствовал сведению кустарников и лесов вокруг поселений. Выбивание паст- бищ вело к возникновению песчаных пустынь. Ирригация сопровождалась засолением почв и способствовала развитию глинистых и солончаковых пу- стынь на залежных землях. Расширение поливного земледелия в предгорных районах потребовало террасирования склонов, что преобразило исходный ландшафт. На рисо- вых полях возникли благоприятные условия для развития личинок маля- рийного комара. Если до поливного земледелия с малярийным комаром со- прикасались лишь охотники и рыболовы во время посещения плавней, то в связи с появлением цивилизаций на берегах Нила, Месопотамии, Мурга- ба и Амударьи, Инда, Хуанхэ и Янцзы такой контакт стал постоянным, что способствовало распространению малярии. По-видимому, в то время на- чался эффективный отбор мутантных гемоглобинов человека. Ирригация приводила к смыву почв, заиливанию русел и устьев рек, расширению дельт. Увеличение производства риса в Китае и Юго-Восточной Азии привело в действие новые антропогенные факторы: возросло поступление в атмосфе- ру метана за счет сеяния риса и углекислого газа, за счет сжигания лесов под пастбища. На нашей планете впервые возник парниковый эффект — проблема, которая со всей остротой встала перед человечеством в послед- ней трети XX в. Советский ученый А.В. Шнитников, американский ученый А. Идде ус- тановили прямую связь между изменением солнечной активности, содержа- нием в атмосфере Земли изотопа углерода |4С и циклическим изменением климатических особенностей на Земле. Так, помимо 11-летнего солнечного цикла, ими установлено наличие 1850-летнего цикла: в течение примерно 300—500 лет на Земле господствует прохладно-влажная фаза, затем пример- 2. Заказ № 1707. 17
Введение но 1000 лет — сухая и теплая фаза, остальные годы — переходные. В допро- мышленный период хозяйственная деятельность сильно зависела от климата. _______1______1 ।______1______।_______1______।------1------1 20 10 0 10 20 30 н.э. века до н.э. Условные обозначения: I — гипотетическое изменение солнечной активности; 2 — максимумы солнечной активности; 3 — минимумы солнечной активности. Рис. 2. График солнечной активности [Эдди Дж., 19781 изменения индекса поч- вообразования в течение последних 5000 лет [Иванов И.В., Лисепкий Ф.Н., 1994]; а — солнечная активность (по содержанию |4С в кольцах деревьев; б — солнечная активность (по огибающей числа солнечных пятен); в — значение индекса почво- образования 18
7. Экологические кризисы в истории Земли Периоды формирования и расцвета цивилизаций приходятся в основ- ном на фазы «весен» и «осеней» климатических циклов, т.е. на переходы от влажности и холода к сухому и теплому климату и наоборот. Техноло- гия хозяйствования высоких цивилизаций не выдерживала напора стихии, и цивилизации гибли. В то же время варвары, жившие по окраинам циви- лизаций, адаптировавшиеся на худших условиях, спокойно воспринимали эти периоды и укрепляли свое состояние за счет разрушения цивилизаций. В итоге новая цивилизация возникала в новом месте (рис. 2). Экологические последствия эпохи Великих географических открытий За 500 лет, прошедших со времени первого плава- ния Колумба, мир неузнаваемо изменился. Список вывезенных из Америки и завезенных туда видов культурных растений, домашних животных, синан- тропных видов огромен. Многие акклиматизированные виды на новом ме- сте играют большую экологическую, экономическую и культурную роль, чем у себя на родине. Сейчас трудно представить себе Россию без картофе- тя, Украину — без подсолнечника и кукурузы, Болгарию — без томатов, Грузию — без фасоли и чая, Узбекистан — без хлопчатника. Канада немыс- лима без пшеницы, Дикий Запад США или Аргентина — без крупного ро- гатого скота и лошадей, Австралия и Новая Зеландия — без овец. Интенсивное внедрение новых видов животных и растений, развитие земледелия и животноводства вновь привели к наступлению на дикую природу. Численность населения Земли к 1500 г. составила около 350 млн человек, среди них охотников, рыболовов и собирателей было 1%. После- дующее освоение США, Канады, Бразилии, Аргентины, Сибири, Австра- лии привело к существенной гибели природы этих стран, резкому сокра- щению численности аборигенов, уничтожению многих видов животных. Вместе с тем благодаря новым растительным ресурсам, все большему ос- воению территорий под животноводство резко возросла численность на- селения на планете. Внедрение новых видов растений в культуру сыграло не меньшую роль, чем неолитическая революция и «зеленая» революция второй половины XX в. Численность крупного скота достигла нескольких сотен миллионов голов, а мелкого скота — нескольких миллиардов. Никог- да ни один вид диких млекопитающих не достигал сопоставимой численно- сти. Сегодня на Земле, по данным ФАО, насчитывается 2,2 млрд голов круп- ного рогатого скота. Объем образующегося от них метана существенен, он должен учитываться в моделях глобального потепления. Таким образом, до- машние животные становятся глобальным отрицательным экологическим фактором. -)* 19
Введение Моряки Колумба привезли в Европу из Вест-Индии сифилис. Испан- ские конквистадоры завезли в Америку оспу. С испанскими мореплавате- лями в Америку из Европы была завезена черная крыса. Ее расселению по Африке и Западной Индии способствовали португальцы. (Крысы, бегущие с тонущего корабля, — это именно черные крысы.) Мореплаватели Юго- Восточной Азии завезли на острова Океании восточноазиатский вид чер- ной крысы. Вместе с товарами человек расселил ио свету и не слишком любящую морские путешествия серую крысу, или пасюка. Из Евразии рас- пространились по миру синантропные домовые мыши. Для борьбы с крыса- ми, мышами и змеями на тропические острова завозили из Индии мангустов. Мангусты успешно съедали крыс, потом уничтожали эндемичные виды гры- зунов и птиц, а затем вымирали сами. Особенно ранима фауна островов. На Мадагаскаре мальгаши в X—XII вв. уничтожили гигантских нелетающих страусообразных птиц эпиорнисов. В Новой Зеландии маорийцы уничтожили гигантских моа. К XVII в. на ост- рове Маврикий был уничтожен гигантский нелетающий голубь дронт, или додо. В XVIII в. русские уничтожили морскую корову на Командорских ост- ровах, в XIX в. европейские колонисты уничтожили аборигенов Тасмании, а в XX в. из-за конкуренции с завезенными сюда собаками (динго здесь не было!) исчез сумчатый волк. В настоящее время человечество наконец начинает осознавать масшта- бы происходящего ныне экологического кризиса. При существующих тем- пах рубки лесов к 2061 г. на Земле могут полностью исчезнуть сомкнутые леса. Катастрофически падает биологическое разнообразие планеты, а вме- сте с этим сштжается устойчивость экосистем. Именно поэтому важно оце- нить уроки былых экологических кризисов в жизни Земли. Если попытаться провести анализ причин массовой гибели животного мира, то мы не получим однозначного ответа. Одни ученые склоняются к точке зрения, что в периоды 250 млн (граница перми и триаса) и 65 млн лет назад (граница мела и палеогена) причиной гибели могли быть гигантские взрывы от падения астероидов или крупных кусков комет (кратеры ~ 50 км в диаметре) (см. табл. I). Из табл. 1 совершенно очевидно, что нет ни одного случая четкой связи возникновения кратера диаметром 50 км и более с кризисами биоты. Сейчас возлагаются надежды на кратер Чикскулуб, обнаруженный на дне моря у бе- регов Америки. Предполагаемый диаметр кратера 250 км. Однако почти та- кой же по размерам кратер До Лунь в Китае (диаметр 180 км) в относитель- но близком времени от его возникновения не имеет никаких вымираний. Кратер Попигай, имеющий диаметр около 100 км и расположенный на тер- ритории России, также не связан с массовыми вымираниями. Анализ воздействия оледенений в истории Земли показывает анало- гичную картину, т.е. существует только два близких совпадения. 20
1. Экологические кризисы в истории Земли Другая версия такова: Авторы А.А. Баренбаум и Н.А. Ясаманов предпо- тагают, что периодичность вымираний связана с циклическим прохождени- ем Солнечной системой рукавов Нашей Галактики. Прохождение активной звездообразуюшей части рукава обеспечивало возбуждение облака Оорта, где. по современным представлениям, сосредоточены кометы Солнечной систе- мы, в результате созда15ались кометные потоки, влияющие на климатические и биотические особенности Земли. Таблица 1 Сопоставление событий сильного кратерирования поверхности Земли и массовых вымираний биоты [Иванов О.П., 1996] Периоды биотических вымираний, млн лет Возраст ближайшего события ударного воздействия, млн лет Название кратера Диаметр кратера, км Q3 - Q4 (0,012) Pg 2 - Pg з (36,6 - 43,6) 38 ± 4 Мистастин (Канада) 28 39,9 Попигай (Россия) 100 K2/Pg, (65 ± 1,4) 61,7 ± 2,7 Карская (Россия) 60 57 ± 5 Усть-Карская (Россия) 25 65 Каменская (Россия) 25 61 ± 9 Мэнсон (Канада) 32 65 Чикскулуб (Мексика) 160 К2 (cm - t) (88,5 - 97,5) 95 ± 7 Стин-Ривер (Канада) 25 88 ± 3 Болтышская (Украина) 24 212 ± 2 Маникуаган (Канада) 65 T n (208 - 225) 215 - 220 П у жеч - Кату н кс кая (Россия) 80 225 ± 40 Сент Мартин Лейк (Канада) 23 P / T (245) 228 - 277 Шеветин (Чехия) 46 C, / C2 (320 ± 15) 320 Уэлс Крик (США) 14 D3 / Cj (360 ± 10) 360 ± 25 Шарлевуа (Канада) 46 D3 (fr fm) (360 - 374) 368 ± 1 Сильян (Швеция) 52 21
Введение Ряд зарубежных ученых [Рауп ДМ, Сепкоски Дж. Дж. и др.] пред- приняли попытки определить внешние космические причины, действу- ющие с определенной периодичностью (рис. 3). В качестве таких внеш- них причин в одних случаях рассматривалось воздействие загадочной планеты Немезида, в других — пролеты вблизи Солнечной системы раз в 26 млн лет звезд, будоражащие облако Оорта и вызывающие кометные потоки. Рис. 3. График вымирания биоты в истории палеолетописи Земли [Raup D.M., Sepkoski J.J., 1986] Следует отметить, что все эти гипотезы слишком слабо статистически обеспечены материалом относительно вымираний. Для понимания данной проблемы необходим совершенно иной подход с позиций эволюции открытых сложных систем. Сложная открытая систе- ма способна аккумулировать вещество, энергию, информацию и постепен- но входить в состояние неравновесности и, следовательно, в состояние кризиса. Выходом из него может быть либо эволюционный скачок, либо возврат в квазистационарное состояние, либо катастрофа системы. Для та- кого перехода из неравновесного состояния требуется незначительное внешнее воздействие но какому-либо из параметров и совершенно не обя- зательно экстремальное воздействие. Мы можем даже не обнаружить само воздействие, хотя это не исключает права на экстремальные воздействия. Более того, мы вправе предполагать, что экстремальные события создают стрессовые состояния, накопление которых приводит к неравновесным со- стояниям систем и последующим переходам в новые состояния. Это при- водило не только к гибели части из них, но и к выработке новых способов адаптации, включая появление более совершенных видов, обладающих бо- лее высокими возможностями адаптации. 22
2. Современная глобализация экологических проблем 2 Современная глобализация экологических проблем На рубеже третьего тысячелетия возник глобальный кризис современной цивилизации. Он выражается в ускоренном росте не- .ативных тенденций во взаимоотношениях общества и природы и в росте социальной напряженности в самом обществе. Конфликт с природой, со- провождаемый ростом числа экологических проблем и их глобализацией, ставит вопрос о сохранении устойчивости сложной системы под названи- ем «биосфера» и, как следствие, о выживании человечества как вида. В со- зременной обстановке следует выделить три ее ключевые особенности. Первая особенность состоит в глобальном развитии ряда негативных тен- денций в природе. Это наблюдаемые изменения климата, состава атмосферы и вод, из- менение озонового слоя, нарушение землепользования и лесопользования вследствие усиления хозяйственной деятельности. Чаше всего обсуждаются планетарные дисфункции биосферы. К ним относятся возможные катастрофические последствия глобального потепле- ния, которое может привести к таянию ледников и повышению уровня моря с затоплением огромных площадей таких стран, как, например, Голландия, значительная часть территории которой расположена ниже уровня моря. Гло- бальное потепление ассоциируется с повышением содержания в атмосфере •парниковых газов» (двуокись углерода, углекислый газ, метан и др.), ко- торые, будучи малыми газовыми примесями атмосферы, беспрепятственно пропускают солнечное излучение, но задерживают собственное, более низ- кочастотное тепловое излучение земной поверхности, что и служит при- знаком возможного повышения глобальной температуры. Однако реальные приоритеты глобальной экологии увязываются с необходимостью сохране- ния устойчивости биосферы в рамках глобальных геохимических циклов. Именно они в такой постановке являются первичным условием поддержа- ния систем глобального жизнеобеспечения по сравнению с увеличением со- держания в атмосфере «парниковых газов», рассматриваемым как следствие происходящих изменений биосферы. Под биосферой понимается та уникальная природная система, которая формировалась на протяжении многих миллионов лет эволюции Земли как планеты. Она включает биоту и окружающую ее природную среду, обеспе- чивающую существование жизни и содержащую следы деятельности биоты. Специфические биосферные процессы характеризуют условия функциони- 23
Введение рования биоты, ее обмена с внешней средой и реагирования на происхо- дящие изменения при эволюции глобальной системы. Специфика этих процессов состоит в том, что основные химические элементы органиче- ских соединений (углерод, азот, кислород, фосфор и сера) накапливаются в тканях живых организмов. Это приводит к увеличению высокомолеку- лярных энергетических состояний соответствующих объектов биосферы, но после прекращения жизнедеятельности при естественном разложении этих тканей уровни энергии биогеохимических циклов понижаются. Такое сезонное и долгопериодное химическое неравновесие — характерная черта живой планеты. Другая ее характерная черта — необратимость процессов в биосфере — определяет особенности исследований наблюдаемых измене- ний и их возможной предсказуемости. Дело в том, что биотические факторы контролируют функционирова- ние глобальной системы в состояниях, близких к квазистационарным на длительных временных масштабах. Возникающие возмущения биогеохи- мических процессов могут привести к кризисным состояниям замкнутых элементарных циклов, плохо регулируемых в реальных масштабах време- ни. Например, в настоящее время подверглось сильнейшей деградации или полностью разрушено около 30—40% почвенных ресурсов мира. Ежегод- ные потери почв вследствие застройки, прогрессирующей эрозии, запре- дельного загрязнения и других нежелательных явлений доходят до 10 млн га и более. Если учесть, что на восстановление 1 см почвенного покрова требуется порой несколько десятилетий, становится ясно: человечество «рубит сук на дереве видов, на котором сидит». Аналогично обстоит дело и с эксплуатацией лесных ресурсов. Если учесть, что леса мира являются легкими планеты, то варварское истребление тропических (Бразилия, Ин- дия, Индонезия и др.) и бореальных лесов (леса России составляют около 60% мировых запасов бореальных лесов) становится реальной угрозой жиз- ни на Земле. Живая природа также несет весомые потери. Ежедневно на планете исчезает один вид живой природы. Сейчас имеется 4000 кандида- тов на внесение в список исчезающих видов. Растет объем Красных книг растительного мира и почв. Таким образом, человечество уничтожает биосферу, не понимая, что оно не обладает автотрофностью и рано или поздно этот ресурс закончится. Вторая особенность: развитие социума идет по степенным законам, край- не нелинейно и стремительно, что приводит к кризисам, росту социальной на- пряженности и расслоению общества. За последние 5566 лет, по данным В.В. Довгуши и М.Н. Тихонова (1995), человечество пережило 14 550 войн, в которых погибло около 3640,5 млн че- ловек и нанесен ущерб на 115,13 квинтиллионов долларов. За всю историю существования человечества люди жили в мире всего 292 года. Только в по- следнем веке состоялись две мировые войны, война в Югославии, экологи- ческая война в Персидском заливе. Была предпринята террористическая по- 24
2. Современная глобализация экологических проблем пытка развязать бактериологическую войну, осуществлены захват Афгани- стана, Ирака. Характер развития общества по ряду ключевых параметров является кри- тическим, так как соответствует экспоненциальным и степенным закономер- ностям. Этим закономерностям сейчас подвержены и второстепенные, или производные, параметры: например, рост народонаселения и соответствую- щие темпы роста потребления продуктов питания и энергии на душу насе- зения. Следствием является увеличение темпов загрязнения окружающей среды ядохимикатами, вредными газами, продуктами деятельности химиче- ских и радиохимических предприятий, а также рост мирового объема хими- ческих удобрений, вносимых в почву. Третья особенность: ненадежность систем управления социума. Почти все системы управления обществом, созданные в XX в., потенциально опасны, ибо позволяют принимать кардинальные решения узкому кругу лиц. Так. есть группы людей, не относящихся непосредственно к структурам власти, текальные действия которых могут причинить глобальный ущерб, исчисля- емый множеством жертв и убытками в миллиарды долларов. К ним отно- сятся операторы атомных станций, командиры ядерных ракетоносцев, пи- лоты стратегических бомбардировщиков, руководители ряда финансовых структур. Возрастает также значение терроризма как попытка влиять на социальные системы локальными экстремальными методами. Сюда можно отнести и политиков отдельных государств или групп государств, действия которых аморальны с позиций человеческой цивилизации. Вся мировая система находится в крайне неравновесном состоянии, и в ней, как на опасном снежном склоне, имеется много центров опасной активации, ко- торые в любую минуту могут запустить катастрофический процесс. Стоит заметить, что в последнее время движение терроризма превратилось из дискретного в широко распространенное. Однако политики склонны рас- сматривать это явление не как обратную связь в системе мирового сооб- щества, свидетельствующую об алогичности процессов структурирования социума, а как авантюру отдельных лидеров этого движения. При такой постановке не надо решать управленческую задачу по поиску иного уст- ройства мира и можно ориентироваться на силовой путь. Да и идея «золо- того миллиарда» не пострадает. Кроме того, создаваемые человечеством многие новые технологические функции распределены крайне неравномерно по странам, поэтому необхо- дима более совершенная система управления, иначе это неизбежно ведет к расслоению общества. Справедливости ради следует отметить, что процес- сы «социально-экономической глобализации» в какой-то мере призваны решить эту ситуацию. На деле же происходит обратное: превращение за счет этого процесса отсталых стран или стран с дешевой рабочей силой в зоны усиливающегося экологического неблагополучия и зоны тотальной технолого-информационной зависимости от передовых стран-инвесторов. 25
Введение Технические системы в XX в. управляются и функционируют в обществе. Рост энергетических, ядерных, инфраструктурных аварий и катастроф вы- зван рассогласованием взаимодействия человеко-машинных систем. По ме- ре развития техники огромную роль начинает играть негативный человече- ский фактор (инженерные ошибки, просчеты персонала, неэффективная помощь спасательных служб). Возрастание размеров и моши технических систем приводит к увеличению системных сбоев управления и масштабов людских, материальных и экологических потерь. И наконец, техническое развитие человечества происходит по методу проб и ошибок. Сначала делается научное открытие: например, деление атомного ядра. Затем это открытие внедряется в практику: создаются атом- ные бомбы и атомные станции. Далее в результате практической эксплуата- ции идеи открывается негативные стороны: атомная радиация — это долго действующий поражающий фактор как при взрыве атомной бомбы, так и при авариях на АЭС (Чернобыль). И только после негативной ситуации окончательно пишутся правила техники безопасности. Следующая идея мо- жет не дать нам дожить до написания правил безопасности. 3 Специфика развития современных опасных природных процессов и особенности ЧС на территории России Сейчас в мире существуют 3 негативные тенденции: 1) рост числа опасных природных процессов (ОПП); 2) рост числа жертв и размера ущерба от ОПП; 3) рост темпов урбанизации. Наглядно иллюст- рируют это диаграммы и схемы, приведенные на рис. 4, 5, 6, 7, 8. Последствия стихийных бедствий бывают весьма тяжелыми. Наиболь- ший вред приносят наводнения (40% общего урона), ураганы (20%), зем- летрясения и засухи (по 15%). 10% общего урона приходится на остальные виды стихийных бедствий. Согласно данным Брюссельского центра по эпидемиологическим ката- строфам, только от природных катастроф в мире с 1965 по 1992 г. погиб- ло 3,6 млн. пострадало более 3 млн человек, экономический ущерб соста- вил 340 млрд долл. 26
3. Специфика развития современных ОПП Тайфуны и штормы (2108) 34% Наводнения (1991) 32% Рис. 4. Наиболее распространенные природные катастрофы в мире за 1965— 1999 гг. Источник: CRED. По данным американского ученого Р. Кейта, на 1976 г. ущерб достигал ежегодно 30 млрд долл., из них 20 млрд — чистый ущерб, 10 млрд — рас- ходы на смягчение и предупреждение последствий. Число человеческих жертв составило было в среднем 250 тыс. человек ежегодно. Рис. 5. Рост количества крупных природных катастроф в мире за 1965—1999 гг (среднегодовое значение за 5 лет) Источник: CRED. 27
Введение Рис. 6. Число погибших на Земле от различных природных катастроф с 1965 по 1999 г. (среднегодовое значение за 5 лет) Источник: CRED За последние 34 г. XX в. от стихийных бедствий в мире пострадало в об- щей сложности около 885 млн человек (свыше 26 млн человек в год), погиб- ло около 685 тыс. человек, а ежегодный материальный ущерб составил бо- лее 64 млрд долл. Рис 7. Число людей, пострадавших от различных природных катастроф за период с 1965 по 1999 г. (среднегодовое значение за 5 лет). [Осипов В.И., 2001] 28
3. Специфика развития современных ОПП □ От тайфунов и штормов ЕЭ От наводнений Ш От землетрясений В От засухи Рис. 8. Экономический ушерб на Земле от природных катастроф sa период с 1965 по 1999 г. (среднегодовое значение за 5 лет) (Осипов В.И., 2001] Таблица 2 Последствия от стихийных бедствий за 1962—1999 гг. [Осипов В.И., 2001] (чел.) Погибло Ранено Пострадало Лишилось жилья Землетрясения 22 956 30 003 1 764 831 224 006 Засухи и голод 73 606 — 58 973 495 22 720 Наводнения 12 067 10 725 42 584 343 2 870 831 Ураганы 28 534 7 468 9 431 063 989 544 Оползни 1 563 235 130 968 106 824 Вулканы 1 009 276 92 306 10 604 Сумма 139 735 48 709 112 977 024 4 224 529 В табл. 3 приведены данные о среднегодовом расчетном ущербе от сти- хийных бедствий за период с 1988 по 1992 г 29
Введение Таблица 3 Среднегодовой расчетный ущерб от стихийных бедствий [Осипов В.И., 2001] (млн долл.) Африка Америка Азия Европа Океания Сумма Землетрясения 90 151 679 65 115 1 000 67 035 Засуха и голод н/у 334 1 000 И 008 н/у 12 342 Наводнения 95 157 390 8 032 1 8 675 Ураганы 112 490 42 494 6 100 120 49 316 Оползни н/у 0,4 5 24 н/у 29,4 Вулканы н/у 10 73 н/у н/У 83 Прочие бедствия 47 102 475 786 н/У 1 410 Итого 344 1244,4 45 116 91 065 1 121 138 890,4 Часто при анализе ситуаций возникновения стихийных бедствий не учи- тывают социально-экономические причины. Но нередко природные явления оказываются опасными тогда, когда человек «подставляет» себя, средства производства и природные ресурсы. Стихийные бедствия было бы точнее на- звать бедствиями природопользования, которые вызваны как природными опасностями, так и плохой управляемостью процессами экономического раз- вития (это урбанизация или концентрация населения в городах, заселение плодородных низменных участков равнин и дельт рек, заселение побережий морей и океанов). Все это повышает кпд поражающих факторов стихийных явлений, в результате рост негативных последствий от ОПП имеет степенной характер (рис. 9, 10). Рис. 9. Рост численности населения мира и числа жертв землетрясений в течение последних 2000 лет [Reductio and Predictability of Natural Disaster, 1996] 30
3. Специфика развития современных ОПП Как видно из рис. 9, с ростом численности населения Земли возрастает число жертв от землетрясений. Согласно последним данным, рост числен- ности населения описывается степенным законом. Это означает, что чело- вечество как система по параметру «демография» развивается уже в режиме с обострением и терпит ущерб от природных катастроф также в режиме с обострением. На рис. 10 приводятся аналогичные графические зависимости для других видов природных катастроф. Легко заметить, что эти законы яв- ляются хорошим приближением к степенным законам для реальной стати- стики бедствий и катастроф. Примечание. F — логарифм среднего числа погибших в результате бедствий ежегодно; ♦ — торнадо; — наводнения; • — ураганы; ж — землетрясения [J. Lommtz — Adler and exc., 1992] Рис. 10. Зависимость числа погибших от бедствий от количества этих бедствий Возможные причины высокого ущерба от стихийных бедствий следующие: рост численности населения; применение технологий производства и средств жизнеобеспечения, уяз- вимых для воздействия природных сил; воздействие человека на среду, приумножающее ее потенциальные опасности; 31
Введение заселение заведомо опасных территорий; высокая степень урбанизации. Современная научно-техническая революция способствует ресурсному освоению регионов с неблагоприятными природными условиями, вызвала бурное развитие и усложнение сети всевозможных коммуникаций, пересека- ющих опасные участки. Созданы такие энергетические, химические и био- технические предприятия, повреждение которых в случае оползня, лавины или землетрясения грозит ущербом, несравнимым даже с потерями от самых крупных стихийных бедствий до-индустриального прошлого. Из анализа материалов по крупным городам, подверженным действию различных экстремальных явлений, со всей очевидностью следует вывод: так как на их территории расположены значительные объемы ТХК и высо- ка плотность населения, число потерь растет адекватно росту численности населения (рис. 9,11). Например, гибель почти 600 тыс. человек от землетрясения в Таньшане в 1976 г. (Китай) связана с высокой плотностью населения и типом жилых строений, расположенных в лессовых породах. Наиболее подвержены разру- шениям, как правило, страны с более низким социально-экономическим уровнем развития (табл. 4). Логика этой закономерности вполне понятна: научно-прогнозный потенциал и технологии строительства и защиты в сла- боразвитых странах находятся на слишком низком уровне. Городское население, % Годы Рис. 11. Рост населения Земли и городского населения с 1800 по 2020 г. [Оси- пов В.И., 2001] 32
3. Специфика развития современных ОПП Так, многочисленность жертв от землетрясения в Таньшане была свя- зана прежде всего с тем, что жилища бедной части населения были выры- ты в бортах долины реки, сложенных лёссовыми породами, которые легко подвержены оползневым процессам. В результате землетрясения лёссовые породы просто оползли по склону, похоронив под собой всех живущих в домах-пещерах. Таблица 4 Зависимость уязвимости стран по отношению к ОПП от социально-экономического уровня их развития [Осипов В.И., 2001] Группы стран по величине годового валового национального продукта на человека с низким доходом со средним доходом С высоким доходом Население, млн чел. 3127 1401 817 Площадь, 10 000 км2 3883 4080 3168 Плотность населения, чел. 1 на км2 80,5 34,3 25,8 Средний валовой национальный продукт в год, млрд долл. 1097 3474 16920 Количество крупных природных катастроф (1965—1992 гг.) 1524 1714 1341 Число жертв, тыс. чел. (1965—1992 гг.) 3166 408 33 Число пострадавших, млн чел. (1965-1992 гг.) 2775 216 16 Прямые экономические потери, млн долл. (1965—1992 гг.) 67 906 98 841 171 253 Среднее отношение экономических потерь в год к среднему валовому национальному продукту, % 0.22 0.10 0.04 Специфика чрезвычайных событий на территории России С 1985 по 1993 г. на территории России в соответ- ствии с критериями МЧС происходило 130—140 ЧС геофизического хара- ктера в год. Среднее число техногенных ЧС — примерно в 5 раз больше. 3. Заказ № 1707. 33
Введение Поданным МЧС, основные материальные потери в нашей стране при- носят наводнения (около 30%), оползни, обвалы и лавины (21%), ураганы и смерчи (14%), сели и переработка берегов водохранилищ и морей (3%). Природные ЧС для России в 1985—1998 гг. подразделялись следующим образом (%): сильные морозы и заморозки в вегетационный период 3 засухи 2 наводнения 35 грозы, градобитие 1 ураганы, бури, смерчи 19 сильные или особо длительные дожди 14 сильные снегопады и метели 7,5 землетрясения 8 оползни, обвалы, сели 5 лавины 2,5 гололед, подтопление, карстовый провал по I В общем виде ситуация для России в 1990—1999 гг. представлена на рис. 12. Атмосферные явления Наводнения Рис. 12. Наиболее распространенные типы природных катастроф в России (1990— 1999 гт.) [Осипов В.И., 2001] 34
3. Специфика развития современных ОПП В количественном выражении это выглядит следующим образом (табл. 5). Таблица 5 Количество ЧС по видам опасных природных процессов и явлений, по данным МЧС России за 1991 — 1997 гг. Год Виды опасных природных процессов и явлений Всего земле- трясе- ния на- вод- нения силь- ные ветры зимние (снего- пады, метели, снежные лавины) летние (селевые потоки, град, молния, сильные ливни) опол- зни пожа- ры биоло- гиче- ские опас- ности 1991 1 14 12 6 9 — — 48 90 1992 47 24 6 7 9 1 7 76 177 1993 32 10 20 11 13 8 2 106 202 1994 65 15 25 14 9 13 20 131 292 1995 71 14 43 12 40 8 50 131 369 1996 77 16 43 8 59 5 46 69 323 1997 95 23 29 8 70 10 13 82 330 Ежегодный ущерб только от 21 крупной природной катастрофы дости- гает ПО—140 трлн руб. Оценки материального ущерба от техногенных ката- строф пока не проводились, однако можно предположить, что они сопоста- вимы с ущербом от природных катастроф. При масштабе ущерба, составля- ющем 4—6% валового национального продукта, и ежегодном его росте на 10—15% в условиях снижения объемов производства экономика России в ближайшие годы будет не в состоянии восполнять потери от природных и техногенных катастроф. Общее число погибших в авариях в результате природных бедствий превышает 50 тыс. человек в год, получивших увечья — 250 тыс. человек. Прямой и косвенный ущерб от этого, отнесенный к объему ВВП, в Рос- сии в 2—3 раза выше, чем в США и других развитых странах. Это прямой результат физического и морального старения производственного оборудо- 3* 35
Введение вания, особенно в потенциально опасных сферах деятельности, что приво- дит к росту числа жертв от ОПП (рис. 13). Р71 Наводнения (опасные г—. _ гидрологические явления) □ Землетрясения □ Прочие Рис. 13. Количество крупных природных катастроф в России за 1990—1999 гг.. послуживших причиной чрезвычайных ситуаций Источник: МЧС России. Так, в промышленности, производящей товары народного потребления, степень износа основных фондов (к 1996 г.) составила 42,2%. Например, в электроэнергетике степень износа фондов увеличилась с 31,6 до 45,7%, в то- пливной промышленности — с 43,5 до 51,2%, в черной металлургии — с 38,0 до 46,9%, а в цветной металлургии — с 37,8 до 47,5%, в химической и неф- техимической промышленности — с 35,8 до 57,4%. Средний возраст произ- водственного оборудования в промышленности увеличился с 9,47 до 14,13 го- да. Капиталовложения снизились за 1990—1995 гг. более чем втрое. Таким образом, с одной стороны, технический прогресс резко усилил антропогенную обусловленность современных катастроф, а с другой — при- родные, экологические, техногенные катастрофы все чаще стали приводить к катастрофам социальным. По существу, речь идет о появлении новой сферы жизнедеятельности человеческого общества — научно управляемого обеспечения социальной безопасности. 36
3. Специфика развития современных ОПП Возникает всеобщая проблема — выработка стратегии безопасного раз- вития в условиях нелинейного взаимодействия как между биосферой и обществом, так и внутри общества. Для этого человечество должно знать: почему оно появилось на конкретном этапе эволюции биосферы? Какие закономерности эволюции оно унаследовало и должно наследовать? Ка- кова его функциональная задача на Земле? В чем специфика его развития и каковы правила коэволюции с природой? В основе решения этих проб- лем должны лежать знания о ключевых параметрах эволюции биосферы и социума. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Каковы вероятные причины массовых вымираний в истории Земли? 2. Каковы причины нелинейности эволюции? 3. Раскройте роль климатических ритмов в развитии цивилизаций. 4. Каковы особенности современных экологических проблем? 5. В чем причины современного роста потерь общества? 6. Каковы особенности роста потерь от ОПП? 7. Специфика ЧС на территории России. Рекомендуемая литература 1. Алексеев А.С. Глобальные биотические кризисы и массовые вымира- ния в фанерозойской истории Земли. Сб. «Биотические события на основ- ных рубежах фанерозоя». М.: МГУ, 1989. 2. Акимов В.А., Новиков В.Д., Радаев Н.Н. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации: опасности, угрозы, риски. М.: ЗАО ФИД «Дело- вой экспресс», 2001. 3. Арманд А.Д. и др. Анатомия кризисов. М.: Наука, 1999. 4. Гудожник Г.С., Елисеева В.С. Глобальные проблемы в истории че- ловечества И Знание. Глобальные проблемы современности. М., 1989. 5. Иванов О.П. Методология и методы решения глобальных проблем современности. Сб. «Синергетика. Труды семинара». Т. 2. М.: МГУ, 1999. 37
Введение 6. Иванов О.П. Особенности самоорганизации Земли и Биосферы в про- цессе эволюции. Сб. «Синергетика. Трулы семинара». Вып. 1. М.: МГУ, 1998. 7. Иванов О.П. Особенности самоорганизации сложных систем в про- цессе эволюции. Сб. «Синергетика. Труды семинара». Т. 3. М.: МГУ, 2000. 8. Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже 21 века // Вестник РАН. Т. 71. № 4. С. 291-302. 9. Reduction and Predictability of Natural Disaster / Eds. J.B. Rundle, D.L. Turcotte, W. Klein. Reading etc. Addison — Wesley, 1996. 10. Lomnitz-Adler J, Knopoff L., Martinez-Mekler G. Phys. Rev. A, 45 (1992) 2211381. 11. Raup D.M., Sepkoski J.J. Mass extinctions in the marine fossail record / Sciense. 1982. V. 215, 4539. P. 801-805.
Раздел I Принципы эволюции И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ сложных СИСТЕМ
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МИРА Хаос и космос. Системное устройство мира. Неравновесные состояния и нелинейные взаимодействия систем как основа возникновения кризисных ситуации Рис. 1.1. Схема творе- ния КОСМОСА путем приложения законов ТЕОСА к ХАОСУ Мы настолько привыкли к жизни в организован- ном мире, что порой не задумываемся над генети- кой его устройства. Однако еше древние греки при- давали огромное значение пониманию принципов происхождения и устройства видимого мира. Широ- ко известны триады Плотина, дающие философское представление о принципах творения космоса (стру- ктур) из хаоса (рис. 1.1). Творцом выступает ТЕОС, под которым можно понимать некие стабильные принципы, законы, одухотворяющие и структуриру- ющие неоформленную материю, т.е. это свод зако- нов творения. Материя, как сейчас мы понимаем, может находиться в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. 40
Глава 1. Системный анализ мира Бесформенную материю греки называли ХАОСОМ. Примером может служить газ, испаряющийся с нагреваемой жидкости. Тепловое движение молекул газа целиком преобладает над силой притяжения. Молекулы газа движутся независимо от других молекул, и их движение носит абсолютно хаотический характер. В этом случае говорят, что каждая молекула обла- дает бесконечным числом свобод. КОСМОС — это уже структурированная и проявленная по законам ТЕОСА материя. Следовательно, строительным материалом для КОСМОСА является ХАОС. Само собой разумеется, что не весь ХАОС охвачен процес- сами творения, значительная его доля остается свободной, и, следователь- но, «строительная площадка КОСМОСА» содержит не только проявленные и одухотворенные формы, но и неиспользованную часть ХАОСА. Таким об- разом, КОСМОС, оформленный по законам ТЕОСА, всегда соседствует и взаимодействует с бесформенным ХАОСОМ, и такое соседство предопре- деляет нелинейность их взаимодействия. Современные представления фактически наследуют древние основы и развивают их дальше. Действительно, весь видимый мир от микромира до ма- кромира состоит из систем. Например, нуклон представляет собой систему кварков. Атомное ядро состоит из системы нуклонов. Атом — это система ну- клонов и электронов. Молекула — система атомов, кристалл и клетка — си- стемы молекул. Порода — система кристаллов. Планетарное тело — система пород. Солнечная система состоит из Солнца, планет, спутников, комет, ас- тероидов, метеороидов, метеоритов. Звезда — сложная излучающая система. Галактика — сложная система звезд, туманностей, скоплений видимого ве- щества и невидимого. Вселенная — система галактик. Образование систем осуществляется в рамках 4 основных взаимодействий: сильного (для ядер- ных сил), слабого (распад сложных ядер), электромагнитного (все химиче- ские соединения живого и косного происхождения) и гравитационного (макросистемы). Под системой следует понимать не гербарий элементов, а их совокуп- ность, объединенную общей функциональной средой и целью функционирования, т.е. наделенную новым свойственным только отдельному элементу качест- вом. Любой процесс также является системой, так как имеет границы сво- его проявления. Система имеет больше свойств, чем просто сумма свойств элементов ее составляющих. Фактически здесь не выполняется закон адди- тивности, согласно которому 2 + 2 = 4. При возникновении системы доба- вляется свойство самой системы, и тогда 2 + 2 > 4. Например, объемные ре- зонансные частоты всей системы отличаются от таковых у отдельных эле- ментов. Пустая кастрюля при ударе звучит иначе, чем наполненная водой. Функциональная среда системы — это характерная для системы сово- купность законов, алгоритмов и параметров, по которым осуществляется взаимодействие между элементами системы и функционирование (разви- тие) системы в целом. Например, законы позволяют управлять страной по 41
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем всем аспектам бытия. Зона действия этих законов и есть пространство си- стемы. Развитие системы осуществляется за счет процессов структурирова- ния, т.е. путем усложнения системы. При усложнении растет мера внут- ренней упорядоченности и. следовательно, снижается энтропия, которая характеризует степень неупорядоченности или хаотичности. В равновес- ном процессе энтропия равна отношению количества теплоты Q к термо- динамической температуре Т, т.е. dS = Q/dT. Эта формула означает, что энтропия описывает направление термодинамического процесса. Структура системы — это топологически оформленное множество связей, по которым обеспечивается энерго-, массо- и информационный обмен между элементами и подсистемами системы. Эти связи определяют функционирование системы в целом и способы ее взаимодействия с внеш- ней средой. Определение цели функционирования системы в процессе эво- люции — достаточно сложный вопрос. С одной стороны, применительно к живым существам цель состоит в реализации заложенной генетической про- граммы. С другой стороны, применительно к таким суперсистемам, как био- сфера, цель состоит в создании все более совершенных видов, способных оптимизировать реакцию собственной экосистемы на изменяющиеся окру- жающие условия и успешно адаптироваться. Применительно к неживым системам — это адаптация к изменившимся условиям путем перестройки структуры. Во всех случаях решение проблемы существования происходит по пути самоорганизации системы для адаптации к сложившимся окружа- ющим условиям. Под открытой принято понимать систему, способную обмениваться с окружающим пространством (над системами и соседними системами) веще- ством. энергией и информацией. В природе большинство систем являются частично открытыми, т.е. принимающими не абсолютно все, а избиратель- но и на определенных частотах (как набор антенн). Разная степень откры- тости в процессе эволюции — это и есть смена набора антенн общения с внешним миром. Любая открытая система обладает свойством аккумуляции, преобразо- вания и выброса поступающей в нее энергии. Поэтому при достижении предела аккумуляции любая система переходит в неравновесное состояние. Что это такое? Представьте себе карандаш, который вы держите за отточен- ный конец, а другой конец свободно висит. Как бы вы ни отклонили сво- бодный конец, он, покачавшись, вернется в свое устойчивое нижнее поло- жение. Но попробуйте поставить карандаш острым концом на стол — он сразу же упадет, причем абсолютно неясно, в какую сторону. Это и есть не- устойчивое, или неравновесное, положение. В природе известно множест- во неравновесных состояний, причем не только кинематического плана. Все эволюционирующие системы рано или поздно попадают в ситуацию неравновесное™. Исследованиями установлено, что существует три вари- анта выхода из этого состояния: 42
Глава I. Системный анагиз мира 1) скачкообразный нелинейный переход системы за счет процессов структурирования в новое более сложное состояние с уменьшением энтро- пии (т.е. укрепление внутренних связей); 2) переход в устойчивое равновесное, как правило, колебательное, со- стояние (гомеостаз или гомеокинез); 3) переход в состояние распада, которое приводит к гибели системы либо сразу, либо постепенно в борьбе за выживание при недостаточной кон- курентоспособности (катастрофа). Первый и третий варианты возможны и до достижения неравновесного состояния. Это происходит либо за счет структурирующего информацион- ного воздействия извне, либо путем поражающего внешнего воздействия на систему как на мишень с нанесением значительного ущерба. В качестве при- мера второго состояния представьте себе стоящего или идущего человека. Опора на двух ногах — неустойчивое состояние (нельзя заснуть стоя, не опираясь на что-либо), но если основание (ноги) будет создавать ритмич- ное раскачивание около центра масс (посредине человека), то состояние станет квазиустойчивым. Следует отметить, что все системы в процессе эво- люции меняют степень своей открытости. Открытость фактически являет- ся регулятором темпа эволюции. Действительно, в молодости человек ведет более активный образ жизни по сравнению со старостью как в смысле ди- намики жизни, так и в смысле питания. Но в старости человек более мудр, т.е. имеет богатый информационный багаж знаний. Обмен энергией и информационную связь с внешней средой открытая система ведет на характеристических параметрических ити объемных резо- нансных частотах. Такие состояния играют роль установившихся режимов. Кроме того, при любом скачкообразном (фазовом) переходе происходит сброс нелинейной части динамического хаоса. При исследованиях нельзя забывать об этом, ибо хаос, например, как микроволновое реликтовое из- лучение во Вселенной хранит информацию о кризисных стадиях эволюции системы. Переход на колебательный принцип развития или в состояние гомеоста- за либо гомеокинеза хорошо иллюстрируется на примере эволюции биосфе ры: новые более совершенные виды, возникавшие в процессе эволюции, все- гда образовывали новую экосистему более высокого уровня, в которой они занимали главенствующее положение в трофической или пищевой цепи эко- системы. Сложная экосистема как совокупность соподчиненных систем бо- лее устойчива к внешним воздействиям и может быть разрушена только по- ражающими факторами при нанесении ей существенного ущерба. Во всех остальных случаях она исключительно устойчива. Еще одна особенность определения системы заключается в понимании сложности. Ведь все природные системы состоят из подсистем, что уже ин- туитивно предопределяет их положение в качестве сложных. По каким кри- териям считать систему сложной? По количеству составляющих ее элемен- 43
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем тов, количеству связей? Но тогда за чертой рассмотрения остаются пове- денческие аспекты живой природы, а процесс сознания, предвидения (опе- режающего отражения) вообще не учитывается. Математики предложили оценивать сложность длиной алгоритма, описывающего систему. Вероятно, для простых модельных систем этот подход и имел бы некоторую ценность, но даже для одной и той же системы разные математики дадут различное ал- горитмическое представление. На сегодняшний день математическое описа- ние деятельности простейших организмов и даже деятельности одной клет- ки представляет существенную трудность. В силу этих причин понятие сложности остается в употреблении на интуитивном уровне. По современным представлениям исследование живых систем немысли- мо без понятия «информация». Смысл термина информация до сих пор хоро- шо раскрыт лишь в Шеннонском, или бинарном смысле. Однако принципы символического, знакового или семантического воздействия, стимулирую- щего поведенческие или структурные изменения систем за счет малых ин- формационных воздействий, до сих пор остаются неясными. Например, принципы обучения и даже «зомбирования» позволяют навязывать про- граммные действия живым системам. Можно только констатировать, что понятие «информация» также остается на уровне интуитивного или обще- принятого понимания. Система является самоорганизующейся если она, без специфического воз- действия извне обрезает какую-то пространственную, временную или функ- циональную структуру (Г. Хакен). При этом энтропия системы уменьшается. Устойчивость, неустойчивость Если мы поставили своей целью разобраться, как отдельным личностям удается генерировать решения, выводящие обычные объекты и ситуации на качественно иные уровни, то нам прежде всего не- обходимо разобраться с этим самым критическим моментом. Прежде всего отметим, что любая система может принимать различные состояния: равно- весное (устойчивое), локально устойчивые и неравновесное (неустойчивое) (рис. 1.2). Особый интерес вызывает неустойчивое состояние системы, так как именно в этом случае происходят кардинальные изменения в системе, и она при малейшем воздействии выбирает принципиально новое состояние или иную траекторию эволюции. Точка такого перехода называется точкой бифуркации (рис. 1.3). 44
Глава 1 Системный анализ мира Рис. 1.2. Схемы возможных различных состояний систем хо ЛОКАЛЬНО УСТОЙЧИВОЕ Рис. 1.3. Точка бифуркации при переходе системы в новое состояние (X — па- раметр устойчивости) Рассмотрим достаточно простую модель качественной перестройки. Желательно, чтобы неожиданные обстоятельства могли быть повторены многократно, тогда мы сможем рассмотреть этот процесс подробнее. Возь- мем простую школьную резинку — ластик (надо только, чтобы он был дос- таточно мягким), подойдет также пружинка от шариковой ручки. Что про- изойдет, если слегка надавить на концы ластика или пружинки? Понятно, что ластик или пружинка сожмется и ответят сопротивлением — будет дей- ствовать упругая сила. Если сдавить сильнее? Сожмется еще больше, упру- гая сила сопротивления увеличится. А если еще сильнее? Вроде бы ничего 45
Разде z /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем нового не произойдет — чем больше деформация, тем больше сила упруго- сти (рис. 1.4). Рис. 1.4. Ожидаемое поведение упругого объекта [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http://www.dere.ru/ibary/blinkov/anat_kata_l.html] Зажмите ластик или пружинку между большим и указательным пальца- ми руки. Что будет происходить, если мы постепенно начнем сжимать паль- цы? Чем сильнее мы сжимаем ластик, тем больше упругой энергии запаса- ется в нем, тем сильнее он сопротивляется нашему воздействию. Что может случиться неожиданного? Однако здесь и подстерегает нас сюрприз! Пружинка может вдруг вы- прыгнуть из наших пальцев. Действительно, в некоторый момент ластик (пружинка) вдруг (совершенно внезапно!) начинает вести себя совсем не так, как мы могли бы ожидать. Ластик (пружинка) вдруг изгибается посере- дине, почти складывается пополам, выпучивается и остается в таком состо- янии (рис. 1.5). Рис. 1.5. Модель катастрофы [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http://www.dere.ru/ ibary/blinkov/anat_kata_l .html] 46
Глава I. Системный анализ мира Если мы и дальше будем увеличивать давление, то обнаружим, что ощу- щаем гораздо меньшую силу сопротивления. Ластик сам изменил свою фор- му так, чтобы воспринимать минимум энергии. Наш катаклизм обратим: мы можем разжать пальцы, и ластик примет исходную форму. Однако если бы мы взяли предмет из менее эластичного материала (например, спичку), то катастрофа вполне оправдала бы свое название: спичка бы держала на- грузку до определенного момента, после чего она бы просто сломалась, по- скольку дерево не может выдержать такие деформации, как резина. Понят- но, если бы все это происходило, например, с колонной здания, то катаст- рофа случилась бы самая настоящая. Итак, воспользуемся «ручным» характером нашей катастрофы и иссле- дуем ее внимательнее. Еще раз доведем наш объект до прогиба, после че- го вернемся в исходное положение. И так несколько раз. Если у нас качественный ластик, т.е. без внутренних и внешних дефек- тов, и мы оказываем давление строго по его оси, то обнаружим, что прогиб происходит то в одну, то в дру1ую сторону. Куда прогнется ластик в каждый следующий раз, предсказать невозможно — это остается неожиданностью. Дело в том, что ластик в критический момент находится в неустойчи- вом состоянии, как, например, мяч. который мы попытаемся удержать на своей голове. После критического сжатия любое случайное малое возмуще- ние, внешнее или внутреннее, прекращает неустойчивое состояние — лас- тик скачком прогибается в какую-то сторону. В какую именно сторону, за- висит от этого возмущения. Влияние малых возмущений на качественное изменение объекта — очень важный момент. Житейский опыт подсказывает нам: большие результаты требуют, как правило, больших усилий — чтобы сдвинуть с места огромный камень, надо обладать недюжинной силой. Оказывается, однако, иногда со- всем незначительные усилия могут приводить к весьма масштабным резуль- татам (рис. L6). Так, перегруженная колонна может некоторое время со- хранять прямое положение; скопившийся за зиму снег может продолжать держаться на склоне горы. Но достаточно в какую-то минуту дуновения ве- тра или разговора стоящих невдалеке людей — и хрупкое равновесие нару- шается. Вот она — катастрофа: рушится инженерное сооружение; поселок в горах сметает лавина. Когда ситуация на рынке становится слишком сложной, какой-нибудь случай может привести гигантскую корпорацию к банкротству! Механизм, реализующий быстрое превращение малых воздействий в результаты огромного значения, является очень важным моментом. На нем и основывается неординарное мышление. Задержимся еще ненадолго на примере с выпучиванием ластика. Сле- дующий шаг: попытаемся графически представить изменение поведения ластика при выпучивании. Попробуем представить себе так называемую 47
Раздел I Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Рис. 1.6. При некотором критическом сжатии исходное, прямое положение становится неустойчивым, и малейшая причина приводит к прогибу [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http://www.dere.ru/ibary/blinkov/anat_ kata_l.html] поверхность состояния объекта. Зависимость угла прогиба от сжимающей силы представлена на рис. 1.3. Строго говоря, этот рисунок справедлив для более простого объекта, у которого вся упругость сосредоточена в точке посередине между двумя жесткими стержнями. До приложения некоторо- го усилия никакого прогиба нет совсем. Начиная с некоторого критиче- ского момента исходное неискривленное состояние резинки остается воз- можным, но становится неустойчивым, поэтому оно показано штриховой линией. Прогиб может произойти как в одну, так и в другую сторону (па графике — вверх или вниз), а величина его быстро увеличивается с увели- чением силы сжатия. Точка перехода из равновесного состояния в нерав- новесное называется точкой бифуркации Что будет происходить с ластиком, если после того как выпучивание уже произошло, мы станем прилагать усилие поперек, как бы стараясь вер- нуть его в исходное положение? После выпучивания ластик оказывается, может иметь два состояния: прогиб либо в одну, либо в другую сторону (рис. 1.7). Причем, если бы мы имели дело не с прямоугольным в сечении ластиком, а, например, с круглой пружинкой от шариковой ручки, то чис- ло возможных состояний после выпучивания увеличилось бы до бесконеч- ности, так как пружинка может выгнуться в любом направлении из 360° окружности. 48
Глава I. Системный анализ мира Рис. 1.7. Варианты состояний ластика [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http:// www.dere.ru/ibary/blinkov/anat_kata_l.html] Попробуем давить на ластик со стороны выпучивания. Сначала мы по- чувствуем нарастающее сопротивление. Однако только до некоторого мо- мента, когда опять происходит резкое и неожиданное событие: ластик вдруг скачком прогнется в противоположную сторону. Если теперь убрать боко- вое давление, ластик все равно останется в новом состоянии. Его можно за- ставить перескочить обратно, но для этого потребуется приложить попереч- ное давление в обратном направлении. Этот интересный эффект есть не что иное, как память, так как ластик теперь, оказывается, запоминает направ- ление последнего воздействия и хранит эту информацию до того момента, пока новое воздействие не перекинет его в иное положение. Поведение обычного ластика ничем не отличается от поведения ячейки памяти ком- пьютера. Если попытаться представить себе поведение нашего объекта в трех- мерном пространстве зависимости прогиба от сжимающей и поперечной изгибающей сил, обнаружим некую поверхность, похожую на сборку ткани (рис. 1.8). Эта поверхность является поверхностью состояния нашего объекта, т.е. все возможные состояния ластика — это точки данной поверхности. Поверхность состояния — это что-то вроде карты, которая позволяет ори- ентироваться в поведении объекта. Как это можно делать? Чтобы узнать, в каком состоянии будет находиться наш ластик при определенных внешних воздействиях, надо найти точки пересечения этого «кусочка смятой ткани» с плоскостями, которые соответствуют поперечным и продольным внеш- ним силам. Точка пересечения и покажет тот угол прогиба, который будет иметь место при данных воздействиях. 4. Заказ № 1707. 49
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Если окажется, что поверхность пересекается в двух точках, это гово- рит о том, что при данных условиях у ластика может быть два разных со- стояния — например, прогиб либо в одну, либо в другую сторону. Эта поверхность в математике называется катастрофа сборки — одна из семи элементарных математических катастроф. Легко можно заметить (рис. 1.8), что зависимость прогиба от сжимающего усилия представляет со- бой «продольный разрез» поверхности катастрофы сборки при G = 0: точка состояния спокойно катится по поверхности от исходного нулевого положе- ния, пока в некоторый момент времени не достигнет развилки. Теперь у нее есть выбор: покатиться на верхний лист поверхности или скатиться вниз. Чисто теоретически точка может покатиться и по среднему язычку сборки (показан штрихами), но, как мы уже понимаем, это настолько неустойчи- вый маршрут, что он не является реальным. В свою очередь, эффект запоминания направления последнего попереч- ного воздействия (силы G) иллюстрирует «поперечный разрез» поверхности при F = const. Точка устойчиво покоится либо вверху, либо внизу, пока до- статочно сильное поперечное давление не подведег ее к той Гранине, где ей придется прыгать или падать на другой лист поверхности. Рис. 1.8. Поверхность состояния упругого трехмерного объекта [Блинков А.В., Киселев А.Н., 2001. http://www.dere.ru/ibary/blinkov/anat_kata_l.htmll Элементарные катастрофы более высоких порядков представляют со- бой гораздо сильнее «измятые» салфетки. Только существуют они в про- странствах с числом измерений больше 3 и, следовательно, представить их 50
Глава /. Системный анализ мира нелегко Но и не самая сложная катастрофа — трехмерная сборка, оказы- вается, может быть универсальной. 1.1.2 Порядок и хаос Системы взаимодействуют друг с другом и при этом могут вести себя хаотично. Появление хаотичности в той или иной системе связано не только с действием каких-либо априори случайных сил или действием хаоса. Природа хаотического поведения даже полностью де- терминированных систем кроется в свойстве приобретать при определенных значениях параметров неустойчивость траекторий развития. Такую ситуа- цию принято называть динамическим хаосом. Французский ученый Анри Пуанкаре показал, что взаимодействие даже трех небесных тел нелинейно и содержит элементы динамического хаоса. Установлено, что для сложных открытых систем независимо от их при- роды существуют ключевые параметры, которые позволяют описывать и мо- делировать обобщенное поведение и состояния системы в процессе разви- тия. Это, например, закон, задающий границу порядка и хаоса. Именно здесь реализуются динамичность и свобода хаоса с законом направленности развития. Например, куча песка, непрерывно пополняемая песчинками, приобретает критический наклон, и начинаются сходы лавин (сброс сверх- критических масс). Если лавины сбросят больше требуемого объема, то ку- ча песка на некоторое время переходит в режим аккумуляции. При случай- ном возникновении избытка песка возникают большие лавины. В любом случае происходит возврат к оптимальному критическому наклону, когда и аккумуляция работает, и хаотические лавины возникают. Эти лавинообраз- ные явления очень похожи на те, которые возникают в группе вертикально стоящих домино при случайном воздействии на один из элементов систе- мы. Таковы же принципы упругого и хрупкого взаимодействия модельных блоков литосферы с последующей имитацией землетрясений в экспери- менте, проведенном Пер Баком и Пак Ченом, колебания курса акций на рынке и многое другое. Для этих абсолютно разных моделей характерны по- добие в характере фликкер-шума (совокупность всех амплитуд и частот экс- тремальных явлений в системе), фронтальность и самоорганизованная критич- ность в процессе эволюции. Система всегда сама из любого субкритического или надкритического состояния возвращается в состояние критичности за счет похожих переходных фазовых состояний. Эволюция в режимах самооргани- зованной критичности, как правило, описывается степенными законами: например, закон Гутерберга-Рихтера, связывающий частоту и энергетику 4* 51
Раздел 7. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем землетрясений, эволюция биосферы, эволюция во времени лавиноопасных склонов, взрыв массивных звезд или «сверхновых», паление курса акций на бирже в момент кризиса и др. Субкритические и надкритические законо- мерности имеют другое представление — логарифмическое, экспоненциаль- ное и т.д. Степенные закономерности развития на заключительной стадии эво- люции обязательно приводя! к режимам с обострением (когда за любой сколь угодно малый промежуток времени происходит сколь угодно большое на- растание амплитуды). В таких состояниях у системы возникают проблемы коэволюции с окружающей средой. Например, стремительный рост числен- ности населения мира и потребностей в энергии, пище и благосостоянии способствовал развитию негативных тенденций во взаимоотношениях об- щества и природы и, как следствие, возникновению множества глобальных экологических проблем. Взаимодействие систем в процессе эволюции является сложным про- цессом и зачастую сопровождается явлениями суперпозиции, или наложения ритмов друг на друга, и, что еще более важно, явлениями нелинейного ре- зонанса. Именно это наиболее существенно при неравновесном состоянии систем и сопровождается кардинальными изменениями во взаимодейству- ющих системах. В тех случаях, когда возникает угроза жизнедеятельности систем, такие процессы можно относить к опасным. Любое силовое или структурирующее воздействие одной системы на другую может стать опас- ным. В состоянии кризиса система неравновесна и крайне чувствительна к любым внешним воздействиям. Такое положение называют зоной бифур- кации — это как бы распутье. Дальнейшее развитие системы почти непред- сказуемо, так как в этом состоянии она не зависит от начальных условий и своего прошлого, а главную роль играют какие-то цели будущего. Тем не менее существует «коридор» возможностей, а не абсолютный произвол. Природа состоит из систем, которые постоянно взаимодействуют друг с другом. Жизнь любой системы можно сравнить с постоянным общением с соседями, которое нередко заканчивается драмой. В природе возникает множество ситуаций, когда взаимодействие сложных систем приводит к возникновению опасных природных процессов. Например, столкновение теплых и холодных воздушных масс сопровождается возникновением атмо- сферных фронтов, циклонов и антициклонов с сопутствующими погодны- ми изменениями. Удар астероида по поверхности Земли сопровождается гигантским взрывом и может привести к гибели биоты. Система большого кучевого облака сопровождается грозой, ливнями, градом и т.д. Цель чело- века — предвидеть опасные ситуации. Любая эволюционирующая система в течение своей жизни неоднократно встречается с кризисными ситуация- ми и преодолевает их, совершая некий скачок в своем устройстве для бо- лее эффективной адаптации. Наиболее наглядно это видно на примере эво- люции биосферы и социума. 52
Глава 1. Системный анализ мира 1.2 Закономерности эволюции биосферы и ноосферы Биологическая фаза. В живой природе целью суще- ствования является удовлетворение биологических потребностей: пищевой и наследственной (продолжение рода). В процессе эволюции всякий новый, более совершенный вид должен был возникнуть только в ответ на доста- точно сильно изменившиеся условия внешней среды. А среда изменялась, причем пополнялась все более высокочастотными ритмами. Например, ко- гда появились атмосфера и гидросфера, возникли климатические ритмы. Возникла мантийная конвекция — появились земная кора, вулканы, зем- зетрясения, рифты, стал меняться состав атмосферы и океана. Ответ био- сферы в виде возникновения нового вида биоты всегда должен был гармо- низировать сложившуюся ситуацию — например, обеспечивать адаптацию к новым условиям большим набором функций нового вида или усовер- шенствовать функции старого вида. Это отражалось в функциональной ор- ганизации организма за счет изменения типа клеток или числа их типов. Под типом клетки понимается специализированное функциональное назна- чение целого ансамбля клеток. Например, печень имеет несколько типов клеток, специализированных для нескольких функций, почки — для других и т.д. Самые первые организмы на Земле — прокариоты, появившиеся око- ло 3,8 млрд лет назад, имели один тип клеток, появившиеся вслед за ни- ми эукариоты начинали с двух типов и т.д. Венцом совершенства стал че- ловек, получивший 254 типа специализированных групп клеток. При этом каждый организм обладал собственной системой управления этими функ- циями. На рис. 1.9 представлена кривая роста числа функций или числа ти- пов клеток в зависимости от времени для той ветви эволюции, на которой находится человек. Эта кривая имеет степенной вид, отвечающий принципу самоорганизованной критичности. Поэтому она проста и гениальна, так как описывает процессы созидания из критической неравновесной ситуации, т.е. на грани хаоса и порядка. Природе здесь оставлена тактическая свобода: хо- чешь — выбрасывай «газон» видов, хочешь — только два вида, но потом все равно вершится «суд отбора» и осуществляется выбор собственной тра- ектории развития. Каждый вид может дать начало своей ветви эволюции. Реальная эволюция выглядит в виде «Дерева Видов» и состоит из по- добных кривых. Однако прогрессивной оказалась лишь та ветвь, на кото- рой находится человек, потому что она отвечает закону самоорганизован- ной критичности, а все остальные ветви оказались непрогрессивными, так 53
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Рис. 1.9. Эволюция биосферы по функциональному разнообразию, уровню цефа- лизации и экологическому структурированию [Иванов О.П., 2000] как являются субкритическими. Данная кривая является именно тем уни- кальным пределом, вокруг которого можно только флуктуировать, но не нарушать главный закон. По мере увеличения числа функций параллельно совершенствовалась система управления ими. Сначала природа создала в живых существах раз- 54
Глава I. Системный анализ мира розненные нервные клетки — волокна, которые быстрее передавали им- пульсы внешних воздействий и обеспечивали более быструю ответную ре- акцию части организма. Затем нервные клетки были объединены в центры (ганглии), что обеспечило более целостную ответную реакцию организма. Впоследствии ганглии были объединены в головном отделе, возник голов- ной мозг, который обеспечивал оптимизированную поведенческую реакцию всего организма. Далее эволюция управления пошла по пути совершенство- вания головного мозга. Закономерность развития этого направления в ка- кой-то мере можно проследить по представлениям о цефализации в качест- ве функции времени. Но можно иначе — качественно, ведь каждый новый вид — это и большее число функций, и одновременно более совершенная система управления. Следовательно, кривая совершенствования управле- ния будет идентична функциональной кривой. Также параллельно развивалось третье — экосистемное — направление. Экосистема — это организация природных образований, объединенных участием в биогенном круговороте веществ с целью устойчивого, длитель- ного, совместного существования в рамках согласованной пищевой цепи и полной утилизации отходов. Задача экосистемного направления состояла в сохранении достигнутой структуры биосферы путем закрепления в звень- ях экосистем наиболее удачных вариантов и, следовательно, сохранения пирамиды экосистем в целом. Экосистемы обладают колебательной ответ- ной реакцией на изменения внешней среды и, следовательно, являются ма- ксимально устойчивыми. Их может разрушить только существенное внеш- нее поражающее воздействие. Экосистема обеспечивала наиболее оптимальные условия для гомео- стаза (устойчивого существования) любого входящего в нее вида. Для вся- кого нового, более совершенного вида создавалась новая, более сложная экосистема, в которой этот вид занимал главенствующее положение в пи- щевой (энергетической) пирамиде. Следующий эволюционный скачок де- лал эту экосистему соподчиненной еще более новой, высокой экосистеме. Такова вертикаль эволюции экосистемного структурогенеза. Если уровень экосистемы оценивать по уровню самого совершенного вида в ней, то мож- но также построить качественную закономерность экосистемной эволюции как функцию от времени. Кривая, характеризующая эту зависимость, то- же фактически совпадет с кривой функционального разнообразия, т.е. она будет иметь те же степенную зависимость и режим самоорганизован- ной критичности (рис. 1.9). Важнейшая особенность экосистем — спо- собность к полной утилизации всех продуктов жизнедеятельности ее чле- нов. Это требовало не только вертикальных связей, но и множества го- ризонтальных — с соседними экосистемами. Таким образом, сложился экосистемный структурогенез — многоуровневый и многоплановый про- цесс глобального характера, направленный на достижение максимальной устойчивости биосферы. 55
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Период собственно биологического развития составляет около 3,8 млрд лет. Совершенствование видов на ранней стадии эволюции шло крайне мед- ленно. Так, эукариоты возникли после прокариотов лишь спустя 1,8 млрд лет. Но на заключительных стадиях темп развития ускорился, и период по- явления новых видов стал измеряться уже несколькими миллионами лет, т.е. градиент видообразования колоссально вырос. В рамках геологического вре- мени последняя часть кривой эволюции соответствуют режиму с обострени- ем. Однако следует обратить внимание на то, что появление новых функций все же измеряется миллионами лет. Это биологический темпомир, и основ- ное его свойство — полная взаимосвязанность, или гармония ключевых уп- равляющих параметров. Введение очень удобного термина «темпомиры» при- надлежит ученым С.П. Курдюмову и Е.Н. Князевой. Социальная фаза. Биологический человек возник за очень короткий срок в условиях более сурового климата, и первоначально все было биоло- гически гармонизировано. Но постепенно более эффективным способом адаптации стало уже не биологическое совершенствование, а иные принци- пы: например, образование более крупных травоядных стад для повышения эффективности защиты от хищников и интенсивная миграция в поисках хороших пищевых условий. Даже хищники пошли по пути коллективной охоты. Например, успех охоты гиеновых собак превышает 50% по сравне- нию с 10—20% в случае охоты в одиночку (львы, тигры). Стадный образ жизни человека способствовал началу фазы социальной эволюции. Коллективная охота дала толчок к образному и коллективному мышлению. Коллективное мышление породило понятие социальной по- требности. В период развития земледелия возникли способы хранения соби- раемого урожая. Развились навыки накопления, а вместе с ними и способы перераспределения накопленного силовым путем. Удовлетворение социаль- ных потребностей становится ключевым, отныне это — главная цель развития человечества и новая ветвь эволюции. Быстро совершенствуются техноген- ные методы — как скорейший путь удовлетворения социальных потребно- стей за счет изъятия необходимого у природы, а также путь социальных конфликтов и войн — как наиболее быстрый способ перераспределения уже накопленных богатств. Размер богатства, впоследствии определяемый деньгами, становится мерилом силы, власти, благополучия, уровня ком- фортности бытия. Возник ускоренно развивающийся новый мир, в котором социальная конкуренция стала двигателем прогресса. Для понимания темпа развития социума используем зависимость после- довательного совершенствования комплексов коллективных социальных функ- ций (или социально-экономических формаций) от времени (рис 1.10). Наиболее удобным представлением таких формаций является модель, предложенная Ю.В. Яковпом. согласно которой формация предстает в виде триады: производительные силы — производственные отношения — свобода личности. Согласно данным Ю.В. Яковца неолитический цикл (формация) 56
Глава 1. Системный анализ мира занимал около 32 веков, восточно-рабовладельческая формация — 22, ан- тичная — 12, раннефеодальная — 7, предындустриальная — 4,5, индустри- альная — 2,3, постиндустриальная — 1,3, информационная — 0,5 века. Общий период социального развития составляет лишь 81,6 века. т.е. по сравнению с живой природой он уменьшился почти в 468 тыс. раз, следова- тельно, темп развития увеличился почти во столько же раз. Возник принци- пиально иной социальный темпомир. ID- 20- 30- 40- SO- 60- 70- 80- Социально - экономические циклы Античный цикл -12 в Неолитический цикл - 32 в Биологические циклы Рис. 1.10. Эволюция общества по социально-экономическим циклам [Ива- нов О.П., 2000] Информационный цикл - 0,5 в Постиндустриальный цикл -1,3 в Индустриальный цикл - 2,3 в Пред индустриальный цикл - 4,5 а Ранне - феодальный цикл - 7 в Восточно-рабовладельческий цикл - 22 в 57
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Совершенно очевидна функциональная траектория его развития — сте- пенной закон с режимом обострения на заключительной стадии. Но время, потребовавшееся на достижение этой фазы, по сравнению с биологической стадией развития было значительно меньше. Причины и следствия этого яв- ления мы рассмотрим ниже. Информационная фаза. С развитием компьютерной техники возникла третья фаза эволюции — информационная, которая отличается огромны- ми темпами развития. Уже сейчас, всего за каких-то 30—40 лет, мы стано- вимся свидетелями включения информационных технологий во все сферы нашей деятельности: в сферу рыночных отношений, борьбы за власть (пи- ар-технологии в предвыборных кампаниях), обучения, воспитания и т.д. Информация стала не только ценнейшим товаром, но и средством воздейст- вия на массовое сознание. Она приобрела свойства обратной, положительной связи, ускоряющей и разгоняющей весь процесс от производительных сил и производственных отношений до удовлетворения социальных потребностей. А это означает, что в условиях усиливающейся рыночной конкурентной борьбы ценность личностных устремлений в обществе, мораль и гуманность стремительно теряют свои позиции. Ведущими становятся корпоративные интересы, направленные на удовлетворение неограниченно растущих псев- досопиальных потребностей узких групп лиц. возглавляющих фирмы и корпорации. Религиозные воззрения становятся уделом личного мира, тогда как вы- живание личности полностью зависит от благополучия приютившей его фирмы или корпорации. Стало возможным искусственно создавать падение котировок на биржах, взвинчивать цены на рынках, играть на колебаниях курса валют и др. Таким образом, информационное поле стало крайне не- равновесным и турбулизованным, что непосредственно усиливает хаосоген- ную составляющую общества. Структуры государств уже не напоминают при- вычную строгую египетскую пирамидальность, когда во главе государства стояла личность, которая совместно со жрецами (приближенными) опреде- ляла концепцию государства. Ниже располагалась разнородная элита, зада- чей которой являлось создание и распространение идеологии под конкрет- ную концепцию. Нижнюю ступень пирамиды занимали рабы, толпа или пролетарии. Пирамида информации, получаемой этими структурами, прямо проти- воположна структурной пирамиде, т.е. перевернута, ибо самые ценные зна- ния принадлежали верховной власти. Современные государства становятся пирамидально-глобулярными (рис. 1.11), так как интересы государств в значительной мере подчинены не только интересам королевских, монархических или президентских семей, но регулируются также интересами корпораций (финансово и политически от- носительно самостоятельных образований). 58
Глава Г Системный анализ мира Рис. 1.11. Образ структуры современных государств [Иванов О.П., 2000] Вертикаль подчиненности сохраняется, но появляется существенная сво- бода в строительстве собственных связей. В этих условиях вектора целей та- ких социально-экономических глобул зачастую не совпадают с интересами го- сударства и уж тем более с понятиями духовно-экологического императива. Можно утверждать, что совокупность таких векторов далеко не компланарна и порой даже не отвечает государственным или национальным интересам. Рост числа самостоятельных структур сопровождается последователь- ным усилением динамизма всей системы управления. Возможны две стан- дартные ситуации и одна нестандартная (или российская). Первая ситуация отвечает росту равносильных глобул (фирм, корпора- ций), и тогда роль государства состоит в регулировании конкуренции на рын- ке. Сама конкуренция способствует проявлению максимальной инициативы и в целом положительна, тем более что государство выступает ведущим кон- курентом на рынке. Вторая ситуация возникает при резком усилении одной или несколь- ких глобул и сопровождается установлением ее или их монополизма при 59
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем снижении роли государства. Сильное государство легко справится с такой проблемой, введя, например, закон об антимонополизме, слабое может ча- стично утратить свою управляющую роль. Третья ситуация характеризует стадию монополизма по многим параме- трам, что возможно лишь при потере государством своих ведущих позиций на рынке конкуренции. Последствия такого положения — коррумпирован- ность высших эшелонов власти, лоббирование в законодательной сфере ан- тинародных законов, обнищание населения и, как следствие, рост преступ- ности на всех уровнях. На сталии рыночного капитализма общая структура государства начине- на самоподобными пирамидальными (по способу внутреннего структурирова- ния) структурами — глобулами. Но связи этих структур зачастую не слишком зависимы от государства и носят транснациональный характер. В третьей си- туации транснациональность представляет серьезную опасность для государ- ства.. С точки зрения синергетики любая эволюционирующая система долж- на быть открытой — это основа ее развития. Но степень открытости повсюду в природе подчинена главному — интересам сохранения самой системы. Когда же страна не может контролировать отток финансов за свои преде- лы, она подобна истекающему кровью животному, конец которого предо- пределен. Самоподобные структуры принято называть фрактальными. Исследо- вания показывают, что фрактальность — это свойство открытых сложных систем, вошедших в переходную фазу сильной неравновесности. Возможны три выхода. Первый — переход системы (государства) в ква- зистационарное состояние с минимальными потерями за счет непопулярных мер по усилению роли государства, невзирая на внешнее давление незаин- тересованных государств. Например, взятие под государственный контроль всех сырьевых ресурсов страны, ВПК, фундаментальной науки и образова- ния, перекрытие оттока капитала за границу. Фактически это сохранение открытости системы, но под государственным надзором. Второй — превра- щение системы в подсистему (сателлит) более сильного государства и удер- жание в этом положении некоторое время за счет собственного военного потенциала. Третий — путь катастрофы и распада системы на подсистемы. Первую стадию третьего пути мы уже наблюдали при распаде СССР, вто- рая возможна при распаде России. Естественно, мы более заинтересованы в первом варианте. Но для этого надо иметь сильную фундаментальную науку, способную разработать принципы управления сложными системами в условиях неравновесных динамических состояний. На информационной стадии чуть ли не с самого начала возникают ре- жимы обострения по многим параметрам и усиливается эскалация сложив- шихся негативных тенденций во взаимоотношениях общества и природы и внутри общества. Длительность периода информационного развития, если вести отсчет от момента начала компьютеризации, составляет всего лишь 60
Гюва 1. Системный анализ мира около 50 лет, что в 162 раза меньше периода просто социальной фазы разви- тия. Следовательно, темпы развития информационного мира тоже как мини- мум во столько же раз выше темпов развития просто индустриального мира. Доля хаосогенной составляющей в этом стремительно развивающемся мире по сравнению с биологической стадией исключительно велика. Коллектив- ное мышление становится неадекватным темпам развития и не обеспечивает оптимального управления социумом. Возникает ситуация глобального обще- человеческого кризиса со всеми вытекающими из этого негативными послед- ствиями вплоть до возникновения международного терроризма. 1.3 Причины кризиса и генезис глобальных экологических проблем Социальное развитие человека изменило цель су- ществования (удовлетворение социальных, а не биологических потребно- стей), поэтому нарушалась полная согласованность трех ключевых параме- тров эволюции биосферы. Возникло неограниченное наращивание числа функций техногенным путем ради получения максимальной прибыли. Сис- темы коллективного мышления и управления не смогли адекватно развивать- ся. Выход из системы экологического контроля привел к глобальным эколо- гическим проблемам. Произошло полное рассогласование темпов развития природы и общества. Наиболее ярко это стало проявляться, начиная с пери- ода промышленной революции примерно 250 лет назад. Именно поэтому в настоящее время возникли экологические проблемы во взаимоотношениях с природой и стало стремительно развиваться экономическое и социальное расслоение общества — источник роста социальной напряженности. Исхо- дя из комплекса этих признаков можно утверждать, что человечество всту- пило в фазу эволюционного кризиса со всеми вытекающими последствиями. Современная цивилизация — сложная глобальная система. Когда такая система вступает в фазу кризиса, неизбежно гибнет множество параметров порядка. Ключевые параметры устойчивости общества — мораль, гуманная идеология, нравственность, уважение суверенитета — стремительно теряют свою значимость; становятся плохо управляемыми нарастающие потоки информации; разрушаются коммуникативные связи. Все это порождает фрагментарность восприятия мира, кризис на личностном и социальном уровнях, напряженность в межнациональных и межконфессиональных от- 61
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем ношениях, конфликт человека с природой, противостояние естественно- научной и гуманитарной культуры. Мы страдаем от неспособности охватить комплексность проблем, понять связи между различными областями зна- ний и культуры и осознать ключевые «правила игры» по сценарию сложно- го мира. Методология выхода из кризиса. С методологической точки зрения на первом плане в основе концепции будущего бытия человечества должна быть разработка принципов регулирования социальных потребностей. При этом сле- дует исходить не из аппетитов отдельных групп или государств, а из возмож- ностей Земли и биосферы с учетом перспектив для следующих поколений. Таким образом, капитализм должен быть регулируемым как на мировом, так и на государственном уровне. Конечно, возможен и другой вариант — рас- слоение общества на «золотой миллиард» и экологических изгоев. Но такие варианты мы уже проходили — погибло много империй. К тому же это путь эскалации военной напряженности и основа для развития международного терроризма, ибо мирным путем расслоение не проходит, никто доброволь- но не отдаст грабителю свои права на этой Земле, дарованные ему приро- дой. При этом следует помнить: уровень современных военных технологий содержит прямую угрозу всему человечеству. Однако программа регулирования социальных потребностей не решает полностью задачу будущего. Стратегия уничтожения биосферы ставит перед человечеством жесткую альтернативу: либо оно идет прежним путем — и то- гда неизбежна кровавая драма в борьбе за остатки ресурсов, либо оно науч- но решает проблему перехода на автотрофное питание, т.е. питание за счет биопродуктов, получаемых из минерального сырья искусственным путем. Именно об этом варианте мечтали Д.И. Менделеев и В.И. Вернадский, а пу- ти реализации намечены в трудах А.П. Руденко. Второй аспект. Компьютерный прогресс должен быть ориентирован на достижение адекватности систем управления обществом его техногенному и информационному способу развития в условиях неоднородного территори- ального распределения достижений науки и техники. Третий аспект. Необходимо знание всего спектра положительных и от- рицательных обратных связей в обществе и их оптимального соотношения на разных этапах его эволюции. Положительные обратные связи играют ключевую роль ускорителей эволюции вплоть до состояний режимов с обо- стрением (восходящая стадия эволюции). Их вполне можно использовать для подтягивания отсталых стран и народов с целью выравнивания раз- ных темпомиров. Отрицательные обратные связи — это гарантия безопас- ности и минимизация риска бытия в фазе бифуркации, когда стоит дилем- ма кризиса. В течение жизни любой природной системы в целях ее самосохране- ния соотношение положительных и отрицательных обратных связей всегда 62
Глава I. Системный анализ мира эффективно меняется. Например, человек в течение жизни (и даже одного рабочего дня) попадает в разные сложные и даже критические состояния, поэтому вынужден принимать нетривиальные решения. Его психика оказы- вается в крайне неравновесных динамических состояниях и может быть пе- регружена. Чтобы снять эффект таких состояний, достаточно перевести его нервную систему в более спокойное состояние (циклический аттрактор) пу- тем сна или даже медикаментов. Знание законов оптимизации соотношения положительных и обратных, отрицательных связей для эволюционирующе- го социума — основа стратегии перевода его из неравновесных состояний в квазистационарные. Требуются знания по социально управляемому измене- нию целей или аттракторов развития. Коридор возможных изменений дол- жен определяться духовно экологическим императивом и знаниями законов управления хаосом. Четвертый аспект — постижение принципов коэволюции быстрых и медленных темпомиров. Должно выполняться правило согласованности трех ключевых параметров эволюции в каждой системе, и вместе с тем должно быть гармонизировано их взаимодействие, их темпомиры с учетом поража- ющего воздействия более быстрой системы. В этом плане вызывает тревогу процесс «социальной глобализации». Средствами массовой информации он зачастую представляется как трансляция более совершенных технологий от развитых стран к отсталым, за счет чего достигается их приобщение к бла- гам цивилизации. На самом деле это способствует размещению экологиче- ски опасных технологий на территории бедных стран, превращению их в технологически и экономически зависимые придатки и выкачиванию наци- ональных природных богатств на кабальных условиях. Это — современный вид колонизации. При этом пролетариат страны-донора трансформируется и переходит в более высокооплачиваемую сферу обслуживания. Но надолго ли? Как только дела в колонии ухудшатся, пролетариат донора останется не у дел. ибо большая часть предприятий вынесена из страны. Именно поэ- тому в странах Западной Европы столь развито движение антиглобалистов. Принцип коэволюции различных темпомиров важен не только в от- ношении природы и общества, но также и внутри общества. Параметр от- крытости системы — мощный регулятор всего процесса эволюции любой системы. Например, человек по-разному тратит энергию в течение жизни, генетическая программа сама управляет этим процессом. Может ли откры- тая система, в которой непрерывно ослабевает внутренняя энергия (эконо- мика), удерживать степень излучения вовне на прежнем или более высоком уровне? Например, если происходит утечка капиталов за границу, распрода- жа природных богатств. Разумеется, нет. Звезда, израсходовав свой запас ядер- ного топлива, должна взорваться; человек, потерявший много крови, может погибнуть; экосистема, утратившая многообразие видов, становится неконку- рентоспособной и т.д. Выводы очевидны: система (наше государство) долж- на резко снизить степень открытости. Речь идет не о «железном занавесе», а 63
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем о государственном научном регулировании внешних потоков и расходов и о стратегии укрепления позиций самого государства как со стороны дру- гих стран, так и внутри. Должна осуществляться забота о главных ресурсах государства, т.е. о народе, а не обеспечиваться на законодательной основе неравноправный симбиоз паразитов — представителей различных финан- сово-политических корпораций, олигархов. Именно эта классовая про- слойка ответственна за переток финансов нашего государства за границу, за его излишнюю открытость как системы. Пятый аспект — реальная оценка возможностей духовного мира челове- ка гармонично и адекватно меняться в соответствии с темпами развития. Мы должны понимать, что существуют реальные пределы адаптации нашей био- логической сущности в условиях степенных законов развития, а уровень со- циального коллективного мышления пока явно недостаточен. Совершенно очевидно, что решение этой проблемы возможно путем соединения духовных и материалистических знаний. В России для этого нужна скорейшая разра- ботка и обеспечение реализации духовно-экологического императива как ос- новы концепции национальной безопасности и внедрение иных, более уско- ренных, методов образования. Сейчас недопустимо сверхдолгое обучение. Указанные проблемы являются фундаментальными и общество, как бы оно ни было увлечено идеей наживы и надеждой на реализацию принципа «золотого миллиарда», рано или поздно безоговорочно эволюционно будет поставлено перед проблемой разработки духовно-экологического императи- ва. Хуже, если такое понимание придет через Апокалипсис. Совершенно очевидно, что решение этих проблем требует междисципли- нарного объединения и возможно только на общемировом уровне. Основной должна быть транснациональная концепция о целях и правилах пребывания человека на Земле. Более того, на данном этапе развития общества на первое место выдвигается не дипломатия создания сильного государства-лидера или группы государств. Важно решать общемировую проблему разработкой прин- ципов перехода общества из неравновесного состояния в квазистационарное состояние. В этом состоит проблема сохранения человечества как вида и из- бавления его от экологических бед. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Каковы типы систем и в чем специфика их различий? 2. В чем конструктивность неустойчивых и неравновесных состояний? 64
Глава 1. Системный анализ мира 3. Достаточно ли трех параметров для описания закономерности эво- люции биосферы? 4. Почему эволюция биосферы нелинейная? 5. В чем различие фаз эволюции биосферы? 6. Назовите причины возникновения глобальных экологических проб- лем и пути выхода из кризиса. Рекомендуемая литере гура 1. Иванов О.П. Методология и методы решения глобальных проблем современности. Сб. «Синергетика. Труды семинара». Т. 2. М.: МГУ, 1999. С. 1-24. 2. Иванов О.П. Особенности самоорганизации Земли и Биосферы в про- цессе эволюции. Сб. «Синергетика. Труды семинара». Вып. 1. М.: МГУ, 1998. С. 17-36. 3. Иванов О.П. Особенности самоорганизации сложных систем в про- цессе эволюции. Сб. «Синергетика. Труды семинара». Т.З. М.: МГУ, 2000. С. 264-272. 4. Иванов О.П. Причины различия эволюции биосферы и общества, эко- логические следствия и методология выхода. Сб. «Синергетика. Труды семи- нара». Т. 6. М.: МГУ. 2003. С. 51—68. 5. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: МГУ, ММФ, 1996. 6. Яковец Ю.В. У истоков новой цивилизации. М.: Дело, 1993. 5 Заказ № 1707.
глава ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ Гигантская мегасистема мира состоит из множества как бы вложенных друг в друга или соседствующих и иерархически упорядоченных сложных подсистем: сверхгалактик, галактик, звездных систем, планетарных систем. Земля также является сложной системой и содержит такие подсистемы, как магнитосфера, атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, мантия, ядро. Все составляющие Вселенной развиваются за счет взаимодействия друг с другом и усложнения сво- ей структуры. То же относится к нашей Солнечной системе и непосредственно к Земле. Взаимодействия Земли имеют внешний и внутренний характер, они раз- личны по спектру связей, интенсивности, масштабу и продолжительности. В экс- тремальных случаях такие природные процессы проявляют опасный характер. Наша задача — понять, как при эволюции и взаимодействии сложных систем рождаются опасные природные процессы. 2.1 Структура и эволюция Вселенной В 80-е голы многие астрономы считали, что в боль- ших масштабах Вселенная практически однородна, полагая, что сгущения вещества, такие, как скопле- ния галактик, распределены по пространству рав- номерно. Наблюдения последних лет показали, что видимое вещество собрано в образования, имеющие несколько различных форм. Были обнаружены сверх- скопления галактик, сосуществующие со столь же ги- гантскими пустотами, в которых видимого вещества KpaitHe мало. Возник естественный вопрос о проис-
Глава 2. Земгя во Все генной хождении этих структур В поисках ответа были объединены усилия астро- номов, физиков по элементарным частицам и космологов. Роль астроно- мов заключалась в поиске и картографировании очень больших структур и определении их обших характеристик. Физики должны были понять суть законов, управлявших процессами в ранней Вселенной и влиявших на формирование ранних структур. Космологам предстояло выяснить пути эволюции этих структур к современным формам. С помощью специальной обработки были обнаружены 102 предпола- гаемых сверхскопления галактик и 29 пустот (для сфер радиусом 160 млн световых лет). Наиболее интересный результат: открытие вытянутого во- токна, состоящего из галактик и скоплений, в области созвездий Персей и Пегас общей длиной более 1 млрд световых лет. Это волокно окружают три пустые области, каждая из которых имеет диаметр примерно 300 млн све- товых лет, не содержит богатых скоплений и относительно свободна от яр- ких галактик (рис. 2.1). Рис. 2.1. Трехмерная карта сектора метагалактики; видимая фигура — скопле- ние галактик в созвездии Волосы Вероники [Бернс Д.О.. 1986] Было предложено много моделей, объясняющих неоднородность круп- номасштабной структуры. Однако исследователи остановились на той, со- 5* 67
Раздел 1. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем гласно которой неоднородности были заложены изначально в момент воз- никновения Вселенной и затем эволюционировали в наблюдаемые ныне суперструктуры. Первые попытки описать происхождение и эволюцию Метагалактики (так называли Вселенную, содержащую только видимое вещество) основы- вались на разработанной в 1916 г. общей теории относительности (ОТО) (А. Эйнштейн, В. Де Ситтер, А.А. Фридман). Эйнштейн придерживался мнения о стационарности Метагалактики. В 1922 г. А.А. Фридман получил нестационарное решение ОТО. По Фридману, Метагалактика состояла толь- ко из вещества и была холодной. В 1948 г. Г.А. Гамов предположил, что Ме- тагалактика вначале состояла только из излучения, и, следовательно, речь должна идти уже не о Метагалактике, а о Вселенной. В рамках объединен- ной модели Фридмана — Гамова это дало возможность утвердить идею о взрывном начале Вселенной, определить возраст Вселенной в 20 млрд лет и в соответствии с моделью горячей Вселенной утверждать наличие изотроп- ного излучения. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли такое микро- волновое излучение температурой около 3 К. В 1980 г. Алан Гут предложил модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной. На начальном этапе эволюции Вселенной гравитационное, силь- ное, слабое и электромагнитное взаимодействия при чрезвычайно высоких энергиях (или температурах) можно рассматривать как единую силу. Само на- чало называют эпохой Всего Сущего, а состояние — сингулярностью. Радиус сингулярного образования в соответствии с расчетами составлял 1(Г° см, Е ~ 1028 эВ. Т = 1032 К, р ~ 1090 г/см3, а само образование обладало высочай- шей степенью симметрии (рис. 2.2). В результате Большого взрыва в период 10 43с произошло отделение от единого состояния гравитационного взаимодействия и возникло первое на- рушение симметрии. В момент отделения сильного взаимодействия (в пе- риод 10-35с) возникли глюоны — переносчики сильного взаимодействия, которые совмест но с кварками начали образовывать кварк — глюонную плаз- му при Т = 1028 К, Е = 1024 эВ и R = 10 см. Это второе нарушение симметрии. Одновременно начался раздув, или инфляция Вселенной. За кратчайший срок времени с 10 3 по 1О"30 с размеры Вселенной увеличились в 10’" раз. Далее эволюция шла согласно сценарию обычной модели остывающей горя- чей Вселенной. К моменту 1 с произошло 3-е нарушение симметрии за счет разделения электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое. При Т = 10'2 К начался нуклеосинтез ядер водорода, гелия, дейтерия, лития, бериллия (при Т = 109 К). По окончании нуклеосинтеза дозвездное вещество уже состояло из 70% Н2, почти 30% Не и небольшого количест- ва других элементов. Эпоха нуклеосинтеза продолжалась примерно в течение года, а затем началась эпоха образования нейтральных атомов и отделение вещества от излучения (Т = 103 К), длившаяся примерно 100 тыс. лет. Причем в 1-е ты- 68
Глава 2. Земля во Всаенной сячелетие Вселенная была заполнена почти однородным нейтральным газом и нейтрино. Затем последовало образование молекул и в течение примерно 100 млн лет происходило образование сгущений плотности и стабильного вещества. КНАСТОЯЦ^МУ ВРЕМЕНИ ЭР ЭХА ВЕЛ ИКС ОБЪЕДИНЕНИЯ —I-- • КВАН ЧЬЕ ЭФФЕКТЫ (СУПЕР- ГРАВИТАЦИЯ) РАДИУС ВСЕЛЕННОЙ, СМ Рис. 2.2. Схема эволюции Вселенной [Бернс Д.О., 1986 с добавлениями Ива- нова О.П.] ЗГГКТРО- МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРО- СЛАСЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 69
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем Согласно квантовой теории любое поле флуктуирует на субатомном уровне, подобно ряби на поверхности озера. Пики флуктуаций энергии по- сле инфляции могли быть достаточно большими, чтобы стать зародышами звезд и галактик. При этом должна была возникнуть неоднородность рели- ктового излучения. Реликтовое фоновое излучение охватывает диапазон длин волн от 60 см до 0,6 мм (диапазон частот от 500 МГц до 500 ГГц). Важнейшим свойством этого излучения является то, что оно имеет равно- весный спектр, описываемой формулой Планка, и температуру 2,7 К. На- иболее интересные результаты были получены с американского спутника СОВЕ. Они позволили установить неоднородность распределения в про- странстве реликтового фонового излучения. В течение последующих примерно 3 млрд лет образовались протозвез- ды. протогалактики и их протоскопления. Образование Млечного Пути от- носят к периоду 3—4 млрд лет от начала, а Солнечной системы — к перио- ду 10—11 млрд лет (4,7 млрд лет от современного летоисчисления). Около 3,8 млрд лет назад на Земле возникли условия, при которых консервативный способ достижения устойчивости систем через наращивание энергии внут- ренних связей дополнился более адаптивным способом, состоящим в нара- щивании структурного и поведенческого разнообразия. Это в четвертый раз нарушило симметрию косной материи и привело к появлению жизни. 2.2 Особенности Нашей Галактики Галактики — это гравитационно связанные систе- мы множества звезд, квазаров, «черных дыр», газа, пыли, темного вещест- ва и излучения (электромагнитного и корпускулярного). Они являются строительными блоками мегаструктуры Вселенной. Свечение большинства галактик обусловлено общим свечением десятков или сотен миллиардов составляющих их звезд. Большинство галактик собрано в различные ан- самбли, которые называются группами, скоплениями и сверхскоплениями. В группу может входить 3—4 галактики, в скопление — около 50 галактик, в сверхскопление — до тысячи или несколько десятков тысяч. Наша Галак- тика, Туманность Андромеды и еще более 1000 объектов входит в Местное сверхскопление. Существует множество различных видов галактик. Они раз- личаются по форме, размеру, массе и излучаемой энергии. Первая класси- 70
Глава 2. Земля во Rceiennou фикация галактик, опубликованная в 1925 г., принадлежит Эдвину Хабблу. В несколько модифицированном виде эта классификация используется и поныне. Введены следующие основные морфологические классы галактик: эллиптические (Е). спиральные (S), спиральные с перемычкой (SB), лин- зообразные (So), неправильные (1г) и пекулярные (рис. 2.3, 2.4). На самом деле существует множество галактик, не укладывающихся в эту схему. Пересеченные спиральные галактики Примечание. Стрелки покатывают, что в ходе эволюции галактики меняют свой тип, перемещаясь от Е к S, возможны преобразования и по вертикали [Хаббл Э. с до- бавлениями Джинса Дж., 1932] Рис. 2.3. Морфологическая классификация галактик Рис. 2.4. Диаграмма Арпа (1932). Связь морфологического типа галактик с их массой и угловым моментом. При переходе от эллиптических галактик (ЕО) к спи- ральным (S) масса галактик в среднем убывает, а их угловой момент растет 71
Раздел /. Принципы лволюции и взаимодействия сложных систем Спиральные галактики имеют хорошо заметное плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Эта форма обусловлена более быстрым, чем у эллиптических галактик, вращением. Галактики могут иметь две и более спиральных ветвей (рукавов), исходящих либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), отходящего от ядра. По этому признаку выделено два основных подтипа: нормальные спиральные галак- тики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Спиральные галакти- ки различаются по массе и размерам. Большинство из них имеет массу око- ло 1010 масс Солнца. Это массы видимого звездного населения галактик. Невидимая масса — в 5—10 раз больше. К неправильным галактикам Хаббл отнес все объекты, отличающиеся от перечисленных выше. Их характерная особенность — фрагментарность. В настоящее время выделяют еше и пекулярные галактики. Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая из 100 млрд звезд, в число которых входит и наше Солнце. Она является галактикой про- межуточного типа — Sb или Sa. В нашей Галактике есть спиральные рукава, диск, центральное утолщение, корона. Размер Галактики в поперечнике — 100 000 световых лет. Центральная выпуклость занимает пространство 20 000 световых лет в поперечнике и 3 000 световых лет в толщину. Гало простирается на 150 000 световых лет. Масса Галактики в пределах объема радиуса 15 килопарсек — около 15 х 10"’ масс Солнца. Земляне видят диск «с ребра», поэтому огромное количество дальних звезд сливается в одну по- лосу, которая видна в ночном небе как Млечный Путь (galacticos — млеч- ный). Диск Галактики состоит из спиральных рукавов. Наша Галактика по- хожа на галактику 2997 (рис. 2.5). Солнечная система сейчас находится в зоне коротании между рукава- ми Персея и Стрельца и движется в сторону рукава Персея со скоростью около 220 км/с. Ее период обращения, или галактический год, составляет примерно 200 млн лет. Время пребывания между рукавами оценивается в 7,8 млрд лет. В спиральных рукавах происходят вспышки «сверхновых» звезд, поэтому спокойный период Солнечной системы начался после ухо- да ее из места своего рождения (рукав Стрельца) и вхождения в межрукав- ное пространство. Стрелец А — объект в самом центре Галактики — является источни- ком самого сильного излучения. Его размер около 1,2 млрд км (размер ор- биты Юпитера). Энергия его гамма-излучения составляет 511 тыс. эВ (энергия фотона видимого света — 2 эВ), что соответствует аннигиляции огромного количества антивещества (около 10 млрд т позитронов в 1 с). Интенсивность излучения сильно варьирует. Все это говорит о необычно- сти источника излучения. Такое излучение может генерироваться вблизи очень плотных объектов типа нейтронных звезд или «черной дыры» 72
Глава 2. Земгя во Все генной Рис. 2.5. Наша Галактика [Миттон С.М., Миттон Ж., 1995] Ритмы Галактики Большой интерес представляет изучение влияния Нашей Галактики на геологическую летопись Земли. Так, зарубежные уче- ные коррелируют период галактического года (250 млн лет) и особенности галактической орбиты Солнца (ундулянии) с ритмикой геологических (те- ктоника, вулканизм), биологических (массовые вымирания биоты) и кос- мических (кометно-астероидное кратерирование) событий на Земле. Интересна попытка описания причин таких взаимодействий у отечест- венных авторов А.А. Баренбаума и Н А. Ясаманова (1998). В соответствии с их моделью структуру Галактики формируют 4 электромагнитные спирали логарифмического типа, начинающиеся далеко от ядра Галактики, и 2 струй- но-вещественные спирали архимедова типа, начинающиеся непосредственно у ядра. Эти спирали вследствие различной кривизны пересекаются в окрест- ностях зоны коротании, что стимулирует процессы конденсации и звездооб- разования. Из-за разности скоростей вращения спирального узора и Сол- 73
Разде z /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем нечной системы в зоне коротании возникают ситуации их пересечения, и Солнечная система испытывает повышенное галактическое воздействие. В период пребывания Солнца в струйном потоке (около 1 млн лет) один раз в миллион лет поблизости проходит звезда. Она будоражит обла- ко Орта, и на Землю выпадает от 100 до 1000 комет. Основные события на Земле за последние 700 млн лет (эпохи горообразования, трансгрессии и регрессии океанов, резкие климатические изменения, вымирания биоты и др.) коррелируют с этими прохождениями и повторяются с новым галак- тическим годом, оцениваемым в 250 млн лет. Последний раз Солнце во- шло в струйный поток — рукав Ориона — Лебедя около 3 млн лет назад и вышло из него 0,6 млн лет назад. Интервалы попадания в струйные пото- ки в течение фанерозоя изменяются от 19 млн (кембрий, пермь) до 37 млн лет (юра, силур, рифей). Все сильные воздействия в фанерозое (послед- ние 600 млн лет) падают на периоды пересечения Солнечной системой зон газоконденсации в ветвях Персея и Киля — Стрельца. Периоды таких про- хождений сопровождаются массовым воздействием комет на Землю, что су- щественно влияет на климат планеты. Это позволяет по-новому взглянуть на проблему происхождения и ритмику земной гидросферы (рис. 2.6. 2.7). Примечание. Положение Солнца отмечено кружком. I, II, III, IV — логарифмиче- ски закрученные спиральные ветви [Баренбаум А.А., 1993). Штрихами помечен корота- ционный круг (круг, по которому движется Солнечная система]. Рис. 2.6. Аппроксимация распределений на галактическую птоскость (малая астрономическая энциклопедия) гигантских молекупярных облаков (точки) и обла- стей эмиссии газа (прямоугольники) 74
Г шва 2. Зелия во Всешнной Рис. 2.7. Логарифмические (сплошные линии) и архимедовская спираль (пун- ктирная линия), рассчитанные А.А. Баренбаумом в 1993 г Авторы полагают, что кометы могли давать до 102’ г воды, что могло вызывать трансгрессию океана до 20—30 м Одновременно кометы прино- сили на планету значительное количество углерода (10-°—102> г) и других тяжелых элементов, образующихся за счет взрывов близких «сверхновых» звезд. Это вещество поглощалось живыми организмами, включалось в об- щий круговорот и затем, спустя некоторое время, отлагалось и преобразо- вывалось в виде геохимически аномальных черных сланцев. Следует отме- тить, что это лишь гипотеза авторов. 2.3 Эволюция звезд Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Боль- шинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно форми- 75
Pa ide i I. Принципы эво иоции и взаимодействия сложных систем ровались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концен- трируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивно- го звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газовопылевыми комплексами. Наиболее изученный га- зовопылевой комплекс нашей Галактики находится в созвездии Ориона, он включает туманность в Орионе, более плотные газовопылевые облака и другие объекты. Представим себе холодное газовопылевое облако. Силы тяготения или взрыв «сверхновой» поблизости сжимают его, и оно прини- мает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и тем- пература облака. Возникнет будущая, рождающаяся звезда (протозвезда). Температура поверхности протозвезды пока еще мала, но она уже излучает в инфракрасном диапазоне, поэтому рождающиеся звезды можно попытать- ся обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях. Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, т.е. в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Излучение идет за счет гравитационного сжатия и аккреции. Когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах достигнет величины около 107 К, начнутся термо- ядерные реакции. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается — сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготе- ния внешних частей звезды. Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солн- ца, продолжается всего сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются в течение сотен миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при большей температуре достигается равновесие. Поэтому массивные звезды обладают большей светимостью. Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся по- степенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр — светимость» Таких звезд больше всего. Время пребывания звез- ды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально све- тимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно ее массе в четвертой степе- ни, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной сталии 76
Глава 2. Земля во Все генной только несколько миллионов лет. а звезды, подобные Солнцу, — милли- арды лет. Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь водород будет превращать- ся в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему ге- лиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еше более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 х 107 К, гелий начнет превращать- ся в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обыч- ная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, некоторое время они пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид (пульсирующих звезд). Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решаю- щим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но массой не больше 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. Вместо гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Таким образом, многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь потухшими звездами. Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах сво- ей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться, как «сверхновые», обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими эле- ментами (которые образовались внутри звезды и во время ее взрыва), а за- тем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько ки- лометров, т.е. превратиться в нейтронные звезды. Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 хи- мических элементов, а во время взрыва «сверхновых» — остальные элемен- ты Периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами меж- звездной среды образуются звезды следующих поколений. Если масса звезды вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, поте- ряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достичь устойчивого состояния. В процессе неогра- ниченного сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в «черную дыру». Такое название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лу- чи и т.д.). Поэтому «черную дыру» нельзя увидеть ни в каком диапазоне элек- тромагнитных волн. 77
Раздел !. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем 2.4 Солнечная система. Активность Солнца В современной планетарной космологии представле- ние о совместном происхождении Солнца и планет из единой вращающей- ся туманности сочетается с идеей О.Ю. Шмидта об образовании планет в околосолнечном протопланетном облаке путем аккреции (аккумуляции) твердых частиц и тел. Установлено (Сафронов и др., 1982], что первона- чально однородная и равномерно вращающаяся протосолнечная туман- ность коллапсирует в звезду солнечного типа, окруженную протопланет- ным диском, при величине момента количества движения КУ2— 10- г см2 / с. При меньших значениях момента образуется одиночная звезда, а при боль- ших — двойная звезда. Чтобы коллапс завершился образованием Солнца и вращающегося вокруг него газопылевого диска, необходим эффективный перенос углового момента из центральной области наружу. В современных моделях главная роль в этом процессе отводится турбулентной вязкости. Согласно расчетам, за 10'—106 лет масса центральной части становится доста- точной для начала реакций термоядерного синтеза и составляет около 1027 г (масса Юпитера). Для удержания и развития ядерного горения нужна масса не менее 10’° г (масса самых маленьких звезд). В протосолнечном диске химическая дифференциация управлялась в ос- новном магнитным, гравитационным и тепловым полями. В этих условиях нейтральные молекулы газов оттеснялись тепловым полем молодой звезды к периферии диска, а ионизированные радикалы и атомы тяжелых элементов стремились к внугренней части диска. Более ранние центры аккреции внут- ри диска разрастались быстрее. Совместное действие всех механизмов приве- ло к сепарированию вещества и образованию планет с разным химическим составом и, следовательно, различной плотностью, которые закономерно расположились в пространстве по направлению от внутренних, более плот- ных, к внешним, менее плотным. В Солнечной системе образовалось 9 пла- нет, 2 пояса астероидов (Койпера и «Фаэтона») и 1 облако комет (Оорта). Большинство планет имеют спутники. Все 9 планет вращаются вокруг Солнца по орбитам примерно в одной плоскости (рис. 2.8). Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток, и в ту же сторону вращаются все планеты, кроме Венеры и Урана. Венера вращается в обратную сторону, а ось вращения Урана находится в пло- скости его орбиты. Четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относятся к вну- тренним планетам, а Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон — к внеш- 78
Ггава 2. Зе\ия во Все генной ним планетам-гигантам. Внутренние и внешние планеты разделены поя- сом астероидов. Рис. 2.8. Схема строения Солнечной системы и траектория кометы Галлея Два важных свойства Солнечной системы подтверждают данный сце- нарий образования. Во-первых, все планеты Солнечной системы обращаются почти в од- ной плоскости: орбиты всех планет, за исключением Меркурия и Плутона, наклонены не более чем на 30 к плоскости земной орбиты, называемой эк- липтикой. Средняя орбитальная плоскость планет наклонена не более чем на 60 к экваториальной плоскости Солнца. Следовательно, все планеты сформировались из единой дискообразной структуры — протосолнечной туманности. Все планеты вращаются вокруг Солнца против часовой стрел- ки. Планеты движутся по почти круговым орбитам (хотя для Меркурия и Плутона это не совсем так). Это свидетельствует об определенной упоря- доченности внутри родительского диска. В табл. 2.1 приведены основные параметры планет Солнечной системы. Во-вторых, отмечается закономерное изменение химического состава по мере удаления от Солнца. Внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) в основном состоят из относительно легких, летучих эле- ментов. Внутренние — из более тяжелых элементов, таких, как кремний, железо и др. Объяснение этого различия состоит в том, что внутренняя часть протосолнечной туманности была достаточно горячей для того, что- бы летучие элементы находились там в газообразном состоянии. Они, бу- дучи нейтральными по отношению к магнитному полю, вытеснялись теп- човым давлением на периферию. Более того, на ранней стадии формиро- вание планет происходило за счет аккумуляции твердого вещества при важной роли воды, поскольку она широко распространена и конденсиру- ется при относительно высокой температуре по сравнению со средней тем- пературой туманности. В тех областях, где температура была 270 К или ни- же (точка конденсации водяного льда), образовались планеты-гиганты. 79
оо о Параметры планет Солнечной системы Таблица 2.1 Планета Диаметр, км Среднее расстоя- ние от Солнца, млн км Период обраще- ния по орбите Период вра- щения вок- руг своей оси Наклон оси враще- щения от- носитель- но эклип- тики Число спут- ников (лун) Относи- тельная масса (масса Земли=1) Плот- ность (плот- ность воды= 1) Состав атмос- феры Температура поверхности. С Меркурий 4880 57,9 88 сут. 59 сут. 28° 0 0,055 5,4 нет днем 350, ночью — 170 Венера 12258 108,2 224,7 сут. 243 сут. (обратное) 3е 0 0,815 5,2 СО2 облака — 33, твердая поверх- ность — 480 Земля 12756 149,6 365,26 сут. 23 ч 56 мин 4 с 23°27‘ 1 1.000 5,52 N, О, СО,, Аг, Н2б поверхность грунта — 22 Марс 6774 227,9 687 сут. 24 ч 37 мин 23 с 23°59 2 0,108 3,9 СО,, Аг(?) твердая поверх- ность — 23 Юпитер 142800 778,3 11,86 лет 9 ч 30 мин 30 с 3°05 13 317.9 1,314 Н, Не облака — 150 Сатурн 120000 1427 29,46 лет 10 ч 14 мин 26°44° 11 95,2 0.704 Н, Не облака — 180 Уран 51800 2870 84,01 лет 11 ч (обратное) 82 05 5 14,6 1,21 Н. Не, СН4 облака — 210 Нептун 49500 4497 164,8 лет 16 ч 28 48° 2 17.2 1,67 Н, Не, СН4 облака — 220 Плутон 5800 5900 247,7 лет 6 сут. 9 ч 9 0 0,1(?) 2(?) не обна- ружена — 230(?) Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
Глава 2. Зелия во Вселенной Планеты формировались за короткий промежуток времени длительностью не более нескольких миллионов лет. Окончательное распределение планет по орбитам, а следовательно, и по орбитальным скоростям, массе, плотности и моментам количества движе- ния произошло в соответствии с теорией резонансов. Поэтому отношения периодов обращения планет и квадратов периодов друг к другу являются целочисленными. Солнце — это ближайшая к нам звезда. В сообществе звезд Солнце отно- сится к классу желтых карликов и классифицируется как G2V. Звезды, подоб- ные Солнцу, и сегодня образуются в плотных молекулярных облаках. Макси- мальные размеры звездообразующих облаков — 100 парсек, масса — до 105 масс Солнца, плотность частиц — от 10’ до 107 см \ температура — 10—60 К. Облака состоят из газа (99%) и межзвездной пыли (1%). Рис. 2.9. Схема строения Солнца [Гибсон Э., 1977| 6. Заказ № 1707 81
Paidc i 1. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Солнце обладает светимостью 3,86 х 1О33 эрг/с и находится на рассто- янии 25 тыс. световых лет от центра Нашей Галактики. Масса Солнца 1,989 х 1О33 г, что составляет более 99% массы всей Солнечной системы. Диаметр его больше земного в 109 раз, а масса — в 333 тыс. раза. Рассто- яние до Земли равно почти 150 млн км, солнечный луч преодолевает его за 6 мин 19 с. Солнце — раскаленный добела шар радиусом 695 997 км, в центре ко- торого идут реакции по преобразованию водорода в гелий и создается осно- ва энергетики Солнца. Каждую секунду наше светило теряет около 4 млн т солнечного вещества в виде светового, теплового, радиоволнового, рентге- новского и других видов излучения. Границы Солнечной системы простира- ются почти на 6 млрд км. Возраст Солнца оценивается в 5 млрд лет. Согласно теоретическим расчетам, в центре Солнца располагается ядро, в котором идут ядерные реакции по превращению водорода в гелий (рис. 2.9). Энергия, освобожденная в центре Солнца, переносится к поверхности в виде жесткого электромагнитного излучения. По направлению от ядра наружу тем- пература (Т), давление (Р) и плотность (р) быстро уменьшаются. Далее идут зона крупноячеистой конвекции (рис. 2.10), фотосфера и корона (рис. 2.11). Рис. 2.10. Схема крупноячеистой конвекции на Солнце (Гибсон Э., 1977] Солнце обладает дифференциальным вращением. Период вращения изменяется от 25 сут. на экваторе до 33 сут. на полюсах. Одно из объясне- ний этого состоит в том, что недра Солнца вращаются быстрее, чем наруж- 82
Глава 2. Земля во Вселенной ные слои, отчего на экваторе внешним слоям передается больший момент количества движения. Для землян крайне важным параметром является солнечная активность, которая характеризует все виды излучения (рис. 2.11). Активные образова- ния охватывают всю солнечную атмосферу, состоящую из фотосферы, хро- мосферы и короны. Несмотря на то что проявления активности различны в этих областях, все они вызваны магнитным полем, всегда присутствующим в активных об- ластях. К активным структурам принято относить факелы, пятна, флокку- лы, волокна, хромосферные вспышки, протуберанцы, активные области в короне и др. Рис. 2.11. Виды излучения от Солнца [Ораевский В.Н., Кузнецов В.Д.. 2000: сайт: htth://www.rosaviacosmos.ru/cpl251/NAUK_ST/szf — fki.html] Факелы. В невозмущенных областях фотосферы имеется лишь общее магнитное поле Солнца, напряженность которого составляет около 1 эр- стеда. В активных областях напряженность магнитного поля увеличивает- ся в сотни и даже тысячи раз. г*
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Небольшое усиление магнитного поля до десятков и сотен эрстед сопро- вождается появлением в фотосфере более яркой области, называемой факе- лом. В общей сложности факелы могут занимать значительную долю всей видимой поверхности Солнца. Они отличаются характерной тонкой струк- турой и состоят из многочисленных прожилок, ярких точек и узелков — фа- кельных гранул. Факелы лучше всего видны на краю солнечного диска (здесь их конт- раст с фотосферой составляет около 10%), в то время как в центре они поч- ти совсем не видны. Это означает, что на некотором уровне в фотосфере факел горячее соседней невозмушенной области на 200—300°С, а на какой- то другой глубине, наоборот, он несколько холоднее. Возникновение факела связано с важным свойством магнитного поля — препятствовать движению ионизованного вещества, происходящему поперек силовых линий. Если магнитное поле обладает достаточно большой энергией, то оно «допускает» движение вещества только вдоль силовых линий. Слабое магнитное поле в области факела не может остановить сравнительно мощные конвективные движения. Однако оно может придать им более правильный ха- рактер. Обычно каждый элемент конвекции, помимо общего подъема или опускания по вертикали, совершает небольшие беспорядочные движения в горизонтальной плоскости. Эти движения, приводящие к возникновению трения между отдельными элементами конвекции, тормозятся магнитным полем, имеющимся в области факела, что облегчает конвекцию и позволя- ет горячим газам подняться на большую высоту и перенести больший поток энергии. Таким образом, появление факела связано с усилением конвекции, вызванным слабым магнитным полем. Факелы — относительно устойчивые образования. Они без особых из- менений могут существовать в течение нескольких недель и даже месяцев. Пятна. В областях факелов с наибольшим усилением магнитного поля могут возникать солнечные пятна. Солнечное пятно появляется в виде кро- шечной поры, едва отличающейся от темных промежутков между гранулами. Через день пора развивается в круглое темное пятно с резкой границей, диа- метр которого постепенно увеличивается вплоть до размеров в несколько де- сятков тысяч километров. Явление сопровождается плавным увеличением напряженности магнитного поля, которое в центре крупных пятен достигает нескольких тысяч эрстед. Пятна движутся в сторону общего вращения Солн- ца быстрее окружающей их фотосферы (примерно на 140 м/с). Это указыва- ет, что пятна связаны с подфотосферными слоями, которые вращаются бы- стрее видимой поверхности Солнпа. Обычно от 2 до 50 пятен объединены в группу, часто имеющую биполярную структуру: на одном конце группы на- ходятся пятна одной магнитной полярности, а на другом — противополож- ной. Но встречаются и мультипотярные группы. Само пятно по форме явтяется воронкой на видимой поверхности Солнца (эффект возникает из-за прозрачности атмосферы в этом месте). 84
Глава 2. Земля во Вселенной Их глубину определяют в 1000—1500 км (рис. 2.12). Температура солнеч- ного вещества в районе центра пятна наиболее низкая по сравнению с об- шей температурой поверхности (5800 К) на 1000—1500 К. Поэтому центр пятна виден как более темное образование, чем его края. В пятне различают тень — его центр и полутень, которая больше в радиусе в 2 раза и более (она светлее, рис. 2.12). Края пятна окружены светлыми волокнистыми форма- ми — фотосферными факелами. Температура в них выше на 2000 К, чем в ок- ружающем веществе, поэтому они выделяются по яркости свечения. Факелы продолжаются вверх через фотосферу в хромосферу, где образуют факельные площадки, которые расширяются с ростом высоты. В фотосфере поперечник факельной площадки может составлять 700 км, а уже на границе хромосферы и короны — 15000 км. Факельные площадки появляются, растут и рассасы- ваются согласно с ритмом солнечных пятен, но они могут существовать и без них. Сами по себе факелы живут дольше пятен — до 3—4 месяцев. Предпо- тагается, что причиной их образования служат менее мощные, чем у пят- на, магнитные поля. Рис. 2.12. Вид солнечного пятна (снимок с космического аппарата SOHO, за- пущенного Европейским космическим агентством совместно с NASA) [Сурдин В.Г сайт: http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VIET/OBSCURA/OBSCURA.HTM] Распределяются пятна на поверхности диска довольно неравномерно. Основное количество пятен приходится на экваториальную область, ограни- ченную 40° северной и 40° южной широты. Пятнистость убывает по напра- влению к экватору и в пределах него практически не наблюдается. Количество пятен на диске Солнца регулярно изменяется с периодом около 11 лет. В начале каждого цикла новые пятна появляются на высоких солнечных широтах. По мере развития цикла и роста числа пятен они воз- 85
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем никают на все более низких широтах. Конец цикла знаменуется рождени- ем и распадом нескольких пятен недалеко от экватора (10°). В течение ци- кла большинство «лидирующих» (западных) пятен в биполярных группах имеет одинаковую магнитную полярность, причем она различна в северном и южном полушариях Солнца (рис. 2.13). В следующем цикле полярность лидирующих пятен меняется на противоположную. Поэтому часто говорят о полном 22-летнем цикле солнечной активности. В природе этого явления еще немало загадочного. Примечание. Буквами в кружках обозначены полярности пар солнечных пятен (за- кон полярности солнечных пятен). Рис. 2.13. Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен (R) и приближен- ных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933—1953 гг. График из книги: Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Тайны будущего. 2000. Время жизни пятен — от нескольких часов до нескольких месяцев. Два смежных пятна чаще всего представляют два полюса подковообразного маг- нита. Напряженность поля к экватору увеличивается, поэтому пятна продви- гаются к нему. Число пятен на диске подсчитывается по формуле: N = k (10g S), где N — пюрихское число пятен; S — число отдельных пятен; g — число групп пятен; к — корректирующий множитель. Периодичность появления солнечных пятен представлена 11-летним сол- нечным циклом, на который накладывается 80-летний цикл. Графики еже- дневных цюрихских чисел выявляют и 27-дневную периодику. По количест- ву пятен строится кривая чисел Вольфа (рис. 2.14). 86
Глава 2. Зелия во Вселенной Рис. 2.14. Циклы солнечной активности [Ишков В.Н., Кононович Э.В., 1993, сайт: http://crydee.sai.msu.ru./Universe and_us/3num/V3pa] 87
Раздел I Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Флоккулы. Хромосфера над пятнами и факелами увеличивает свою яр- кость (возмущенная хромосфера), причем контраст между возмущенной и невозмушенной хромосферами растет с высотой. Яркие пятна, заметные на этих спектрогелиограммах и совпадающие по своим очертаниям с положе- нием фотосферных факелов, называются флоккулами. Увеличение яркости флоккула по сравнению с окружающей невозму- щенной хромосферой не дает оснований для определения его температуры, так как в разреженной и весьма прозрачной для непрерывного спектра хро- мосфере связь между температурой и излучением не подчиняется закону Планка. Повышенную яркость флоккула в центральных частях сильных линий можно объяснить увеличением плотности вещества в хромосфере в 3—5 раз при почти неизменном значении или лишь слабом увеличении температуры. Хромосферные вспышки. В хромосфере, чаще всего в небольшой облас- ти между развивающимися пятнами, особенно вблизи границы раздела по- лярности сильных магнитных полей, наблюдаются самые мощные и быстро развивающиеся проявления солнечной активности, называемые хромосфер- ными вспышками. В начале вспышки яркость одного из светлых узелков флоккула внезапно увеличивается. Часто менее чем за 1 мин сильное излу- чение распространяется вдоль длинного жгута или «заливает» целую область протяженностью в несколько десятков тысяч километров (рис. 2.15, 2.16). Рис. 2.15: а — выброс плазменной массы — будущего магнитного облака — из короны Солнца. Снимок в рентгеновских лучах с космического аппарата SOHO, запущенного Европейским космическим агентством совместно с NASA; б — схема вылета из Солнца коронального выброса массы (справа), окруженного петлей замк- нутых силовых линий магнитного поля Солнца. Толстой линией показана ударная волна перед фронтом выброса [Застенгер Т.Н., Зеленый Л.М., 2002; http;//www. rosaviakosmos.ru/cp 1251 /N AU K_ST/magn_ob] 88
Глава 2. Земля во Вселенной Рис. 2.16. Схематическое изображение хромосферной солнечной вспышки |Ор- наевский В.Н., Кузнецов В.Д.. 2002: htth://www.rosaviacosmos.ru/cpl251/NAUKST, >zf — fki.html] За время, исчисляемое минутами, свечение захватывает огромную пло- щадь, затем оно постепенно угасает за время от 20 мин до 3 ч. В рентгенов- ских лучах продолжительность вспышки может составлять всего несколько секунд. Вспышка представляет собой по существу взрывообразное и силь- но сконцентрированное освобождение энергии внутри солнечной атмосфе- ры. В начале вспышки в некоторой области плазменной арки, соединяю- щей пятна, внезапно выделяется энергия около 1026—1031 эрг, причем в мяг- кой рентгеновской области излучение вспышки на один и более порядков превосходит излучение Солнца. Энергия, освобождаемая при вспышке, обычно немного меньше сум- марной энергии, излучаемой активной областью за время ее существования. Однако для очень мощных вспышек эти две величины примерно одинако- вы и составляют 1032 эрг (взрыв атомной бомбы с тринитротолуоловым эк- вивалентом 2 млрд Мт). Эта энергия накапливается в сильных магнитных полях, так как ядерный синтез невозможен в условиях разуплотненной ат- мосферы. Количество энергии, излучаемое вспышкой в 1 с, составляет 10 светимости всего Солнца, а в самой коротковолновой области (около 10 ан- гстрем) оно может и превышать ее. Одновременно с усилением коротковол- нового излучения происходят испускание высокоэнергетичных частиц (элек- тронов, протонов, альфа-частиц) и нагрев плазмы до 20—30 млн К. Заряженные частицы (электроны, протоны, ядра) ускоряются до высоких энергий (электроны — до ультрарелятивистских энергий — более 200 кэВ, протоны — до 10—100 МэВ и в очень редких случаях до 1—10 ГэВ). При вза- имодействии с плазмой солнечной атмосферы пучки ускоренных частиц по- рождают жесткое электромагнитное излучение в диапазоне от рентгена до гамма (при распространении пучков вглубь солнечной атмосферы) и ра- 89
Разде i /. Принципы эво иоции и взаимодействия сложных систем диовсплески. ударные волны и возмущения солнечного ветра (при распро- странении в корону). Аналогичные солнечным вспышкам мощные процес- сы выделения энергии происходят и на удаленных от нас звездах, но толь- ко на Солнце мы можем детально изучить физику вспышек и понять их механизм. Исследование солнечных вспышек на спутнике «КОРОНАС-Ф» осуществляется при помощи комплекса научных приборов, которые реги- стрируют вспышечное излучение в широком диапазоне энергий с высоким временным и спектральным разрешением. Совокупность этих наблюдений и измерений, которые выполняются приборами спутника «КОРОНАС-Ф» по солнечным космическим лучам, позволит лучше понять механизмы ус- корительного процесса частиц в солнечных вспышках — одного из наибо- лее мощных в Солнечной системе и наиболее близкого во Вселенной. Внешние части солнечной короны не могут удерживаться гравитаци- онным полем Солнца, и. если им не препятствуют магнитные поля ароч- ной формы (протуберанцы), они как бы стекают в окружающее простран- ство. Этот поток называется корпускулярным излучением или солнечным ветром. Солнечный ветер в основном стекает там, где магнитные поля от- крыты в межпланетную среду (коронарные дыры). Появление усиленного солнечного ветра связано в основном со вспышками. Во время вспышек наблюдаются самые коротковолновые (т.е. наибо- лее жесткие) рентгеновские спектральные линии, а в некоторых случаях — даже гамма-лучи. Увеличение (всплеск) излучения всех этих видов проис- ходит за несколько минут. После достижения максимума уровень излуче- ния постепенно ослабевает в течение нескольких десятков минут. Помимо увеличения яркости, во время вспышек наблюдаются мощные движения газов, а также выбросы облаков плазмы в виде отдельных кон- денсаций и «брызг». Все перечисленные явления объясняются выделением большого коли- чества энергии в результате неустойчивости плазмы, находящейся в обла- сти очень неоднородного магнитного поля. В результате сложного процес- са взаимодействия магнитного ноля и плазмы значительная часть энергии магнитного поля переходит в тепло, нагревая газ до температуры в десятки миллионов градусов, а также идет на ускорение облаков плазмы и элемен- тарных частиц. Весь процесс имеет характер взрыва, сопровождающегося сильным сжатием вещества в некотором объеме хромосферы. В табл. 2.2 приведено распределение энергии при мошной солнечной вспышке. Общее количество энергии, выделяющейся в виде оптического, ульт- рафиолетового, рентгеновского и радиоизлучения, а также идущей на ус- корение плазмы и отдельных частиц, достигает 102К—10” эрг. Ускорение частиц (корпускул) — электронов и протонов — во вспыш- ках происходит соответственно до энергий в десятки килоэлектронвольт и даже в несколько мегаэчектронвольт. Частицы с такими энергиями явля- ются космическими лучами, хотя они во много раз менее энергичнее, чем 90
Ггава 2. Зем/я во Все генной Таблица 2.2 Распределение энергии при мошной солнечной вспышке Виды выделения энергии Полная энергия, Дж Доля полной энергии, °о Мощность, Вт Электромагнитное излучение: ультрафиолетовое (3-5) 10- 15-25 (3- 5)1021 мягкое рентгеновское 1024 5 3 х Ю2" оптическое белое (1—3)102 0,5-1,5 3 х 1О20 в линии На -102’ 5 х 10 1 3 х Ю” жесткое рентгеновское (3-5)10"’ 10 3 х 10ю гамма-излучение (3-5)10' 10 (3—5)10и радиоизлучение Энергичные частицы в межпланетном пространстве: 10р 5 х 10 1014 электроны (более 20 кэВ) -1022 0,05 10'° протоны (более 10 МэВ) Газодинамические выбросы над 2 х 1024 10 -1021 хромосферой Межпланетные 3 х 1024 15 -10* ударные волны 10^ 50 Всего: (1—2)1025 100 (1-2)1024 Источник: Мирошниченко Л.И., 1981. космические лучи, приходящие к нам из далеких областей Галактики. По- этому их называют мягкими космическими лучами. Помимо них во время вспышек образуются частицы, обладающие и меньшими скоростями. Об- разуемые ими облака и корпускулярные потоки распространяются со ско- ростями 500—1000 км/с. Корпускулярное излучение вспышек объясняет особо мощное их рентгеновское и радиоизлучение, которое отличается от упоминавшегося выше теплового излучения очень горячего газа и называ- ется нетепловым. Через несколько минут после начала вспышки наблюда- 91
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем ется усиление рентгеновских лучей с длинами волн в несколько ангстремов. Это явление возникает из-за торможения быстрых электронов космических лучей в магнитных полях активной области и в результате столкновений с частицами вещества хромосферы. Вскоре после вспышки наблюдается очень сильное (иногда в несколько миллионов раз) увеличение мощности солнечного радиоизлучения на некоторой частоте, постепенно уменьшаю- щейся со временем. Причиной этого всплеска радиоизлучения являются про- цессы, которые происходят с теми же частотами колебания плазмы и вы- званы прохождением через нее космических лучей. Частоты этих колебаний уменьшаются по мере проникновения потока корпускул, порожденных вспышкой, в верхние слои хромосферы и короны. Из всех активных обра- зований на Солнце вспышки выделяются своей особой способностью воз- действовать на геофизические явления. Протуберанцы. Активными образованиями, наблюдаемыми в короне, являются протуберанцы — более плотные и холодные облака, светящиеся примерно в тех же спектральных линиях, что и хромосфера. Они бывают весьма различных форм и размеров. Чаше всего это длинные, очень пло- ские образования, расположенные почти перпендикулярно к поверхности Солнца. Поэтому в проекции на солнечный диск (на спектрогелиограм- мах) протуберанцы выглядят в виде изогнутых волокон (рис. 2.17). Проту- беранцы — наиболее грандиозные образования в солнечной атмосфере, их длина достигает сотен тысяч километров, хотя ширина не превышает 6000—10000 км. Нижние их части сливаются с хромосферой, а верхние простираются на десятки тысяч километров в корону. Однако встречаются протуберанцы больших размеров. Рис. 2.17. Вид петлеобразного протуберанца, возможного кандидата на вспыш- ку (из астрономического сайта «Звездочет») 92
Глава 2. Зе иля во Вселенной Через протуберанцы постоянно происходит обмен вешества хромосфе- ры и короны. Об этом свидетельствуют часто наблюдаемые движения как самих протуберанцев, так и отдельных их частей, происходящие со скоро- стями в десятки и сотни километров в секунду. Возникновение, развитие и движение протуберанцев тесно связаны с эволюцией групп солнечных пятен. На первых стадиях развития активной области пятен образуются короткоживущие и быстро меняющиеся проту- беранцы вблизи пятен. На более поздних стадиях возникают устойчивые спокойные протуберанцы, существующие без заметных изменений в тече- ние нескольких недель и даже месяцев. После этого внезапно может насту- пить стадия активизации протуберанца, проявляющаяся в возникновении сильных движений, выбросов вещества в корону и в появлении быстро движущихся эруптивных протуберанцев. Активные области в короне. Внешний вид солнечной короны связан с проявлением активности в более низких слоях атмосферы. Над пятнами наблюдаются характерные образования в виде изогнутых лучей, напомина- ющие кусты, а также уплотнения коронального вещества в виде округлых облаков — корональные конденсации. Над факелами видны целые системы прямолинейных, слегка волнистых лучей. Протуберанцы обычно бывают окружены дугами и шлемами из уплотненного вешества короны. Все эти образования над пятнами, факелами и протуберанцами часто переходят в длинные лучи, простирающиеся на расстояния многих радиусов Солнца. Понятие о центре солнечной активности. Все рассмотренные активные образования в солнечной атмосфере тесно связаны между собой. Воз- никновение факелов и флоккулов всегда предшествует появлению пятен. Вспышки возникают во время наиболее быстрого роста группы пятен или в результате происходящих в них сильных изменений. В это же время воз- никают протуберанцы, которые часто продолжают существовать долгое время после распада активной области. Совокупность всех проявлений солнечной активности, связанных с данным участком атмосферы и разви- вающихся в течение определенного времени, называется центром сотенной активности. Спокойный солнечный ветер имеет скорость 250—400 км/с при его плотности в районе орбиты Земли 7—20 частиц/см3. Полная мощность сол- нечного ветра, приходящаяся на магнитосферу Земли, составляет Ю10 кВт, а температура — примерно 105 К. Во время вспышки за несколько десятков минут образуется большое количество быстрых заряженных частиц и формируется радиально расходя- щаяся ударная волна. Через 40—50 ч ударная волна достигает орбиты Зем- ли и резко сжимает магнитосферу. Это фиксируется по увеличению гори- зонтальной компоненты магнитного поля Земли на несколько десятков или сотен гамм и является началом геомагнитной бури. В этот период воз- 93
Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем никают ионосферные нарушения (повышенная ионизация у полюсов), на- рушается радиосвязь. При повышении солнечной активности солнечный ветер усиливается и становится неоднородным. Во время солнечных вспышек скорость ветра достигает 800 км/с, а плотность — 100 частиц/см2 в сек на орбите Земли. С расстояния 3 радиусов Солнца плазма как бы «вморожена» в магнитное поле Солнца, и солнечный ветер выносит ее в космическое пространство. Поскольку Солнце вращается, силовые линии межпланетного поля закру- чиваются и приобретают форму архимедовой спирали (рис. 2.18). Рис. 2.18. Схема структуры межпланетного магнитного поля [Баранов В.Б., 2001; сайт: http://www. astronet.ru/db/msg/117l268] Межпланетное магнитное поле имеет секторную структуру: чередуются секторы с разными направлениями силовых линий. Таких секторов чаше все- го бывает 4. Но иногда их число колеблется от 2 до 6. При четырехсекторной структуре прохождение Землей одного сектора составляет одну неделю. Гра- ница между секторами очень тонкая и проходится Землей за несколько ми- нут. Переход Земли из одного сектора в другой сказывается на конфигурации ее магнитосферы, поскольку она попадает из поля одной полярности в поле другой полярности. Возникают магнитные суббури. Это происходи! вследст- вие перезамыкания силовых линий межпланетного и земного магнитных по- лей в дневной части магнитосферы с проникновением в нее частиц солнеч- ного ветра. 94
Глава 2. Зем in во Все генной 2.5 Строение Земли Земля является сложной открытой системой. По данным А.И. Войцеховского (1990), как открытая система она ежегодно по- лучает из космоса 5 х 104т метеорной пыли и примерно 1500—2000 т метео- ритов. На Земле установлено около 156 метеоритных кратеров, свидетельст- вующих о крупномасштабной бомбардировке из космоса. Общая энергия электромагнитного и корпускулярного излучения, получаемого от Солнца, составляет 2 х 10’5 Дж. Земля испытывает гравитационные воздействия Га- лактики, Солнца и планет Солнечной системы. Одновременно Земля отдает в окружающее космическое пространство легкие газы (водород, гелий, диоксид углерода, азот, инертные газы и др.), поэтому накопления газов в атмосфере не происходит, несмотря на непре- рывно идущий процесс дегазации недр. Земля отражает и излучает длин- новолновую радиацию. В последние годы значительно выросла доля ра- диоизлучения планеты по техническим причинам. Сложность системы Земля состоит в том, что в процессе ее эволюции возник ряд сложных подсистем, таких, как магнитосфера, ионосфера, ат- мосфера, гидросфера, литосфера, мантия и ядро (жидкое и твердое), ак- тивно и нелинейно взаимодействующих друг с другом. Форма Земли Мы живем на огромном шаре. Об этом говорил еще Пифагор в VI в. до н.э., хотя многие считали нашу Землю плоской, как блин. Сегодня наукой доказано, что Земля имеет шарообразную фор- му. Математик Архимед предложил термин «сфероид» — это фигура, близ- кая к сфере, но не совсем идеальный шар. Сейчас известно, что наша планета сплющена с полюсов, поэтому ее экваториальный радиус больше, чем у идеального шара, а вдоль оси вра- щения радиус Земли меньше, чем у правильной геометрической сферы, и ее форма близка к эллипсоиду. Однако в связи с многообразием конфигураций рельефа действитель- ная форма Земли является более сложной, чем эллипсоид. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г фигуру Земли назвал геоидом. 95
Раздел 1. Принципы зволюции и взаимодействия с южных систем Геоид — некоторая воображаемая уровенная поверхность, которая оп- ределяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду перпендику- лярно. Это достаточно сложная поверхность, неудобная для математиче- ского моделирования. В настоящее время в России в геофизике и космонавтике использует- ся эллипсоид Ф.Н. Красовского. Площадь поверхности Земли около 510 млн км2, из которых 70,8% за- нимает Мировой океан, а 29,2% — суша. В Северном полушарии соотно- шение суши и океана составляет 39 и 61%, а в Южном — 19 и 81%. Изучение внутреннего строения Земли производится различными мето- дами. Около 120 лет назад австрийский геолог Эдуард Зюсс скорее догадал- ся, чем доказал: планета по своему строению подобна луковице. Она состо- ит из концентрических (имеющих общий центр) слоев, уплотняющихся по мере приближения к центру. На основании метода исследований скоростей распространения сейс- мических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон и дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интер- валах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до насто- ящего времени. Выделяют три главные области Земли. Земная кора (слой А) — верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6—7 км под глубокими частями океанов до 35—40 км под платформенными территориями континентов и до 50—70 км под горными сооружениями. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изу- чении балканских землетрясений впервые установил нижнюю границу зем- ной коры. Эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Мантия Земли — расположена ниже границы Мохо и распространяется до глубин 2900 км. В ее пределах, по сейсмическим данным, выделяются: верхняя мантия (слой В) — глубиной до 670 км, средняя мантия (слой С) — до глубины 800—1000 км и нижняя мантия (слой D) — до глубины 2700 км с переходным слоем D' — от 2700 до 2900 км. Ядро Земли — подразделяют на внешнее ядро (слой Е) — в пределах глубин 2900—4980 км, переходную оболочку (слой F) — от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро (слой G) — до 6971 км. Границы между этими областями называются разделами первого по- рядка (рис. 2.19). Земная кора отделяется от слоя самой верхней мантии резким скачком скорости. Высокоскоростной твердый слой верхней мантии совместно с земной корой называют литосферой. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости про- дольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. а поперечные волны гасятся. Дело в том, что на этом рубеже резко меняются физические свойства вешества. Внеш- 96
Ггава 2. Зем.1я во Bceieiinoii нее ядро принимает особое состояние, и поперечные сейсмические волны через него не проходят, а так как волны Vs связаны с модулем сдвига и он в жидкости равен нулю, то делается вывод о том, что внешнее ядро имеет свойства жидкости. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии. Эта гра- ница называется разделом Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя F и внутренним ядром Зем- ли (слой G). СОСТАВ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ Породы разного состава Глубина (км) ° 1 3°т Г 200 ={ ( КОРА 700 = 2900 = Слой Е 1 ВЕРХНЯЯ- МАНТИЯ ~ Слои Dll Жидкие металлы (Fe2O, Fe + Ni) Плотные окмелы периклаз (МдО) стишовит (SiO2) Переходный слой D 5150 = Переходной СЛОЙР Внутреннее ядро Слой G 6371 J Твердые металлы Основные материалы кварц силикаты, алюмосиликаты Слой В ___Ультраосновные породы- плотные соединения оливина и пироксена Средняя мантия (слой С) Рис. 2.19. Схема строения Земли: а — по обобщенным данным [Зоненшайн Л.П.. Савостин ТА., 1989 с добавлениями Белой Н.И.]. б — по сейсмологическим и гра- виметрическим данным |Эйби Дж.. 1982] На рис. 2.20 показано более детальное строение земной и океаниче- ской коры в различных геодинамических обстановках. В табл. 2.3 приведены параметры строения главных областей Земли и указаны основные границы раздела. 7 Зак.и V I "’07 97
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем ИЗУЧЕННОСТЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ БУРОВЫМИ СКВАЖИНАМИ Рис. 2.20. Изученность земной коры буровыми скважинами [Козловский Е.А.. 1984 с добавлениями Галушкина Ю.И., 1998] Таблица 2.3 Параметры строения Земли с основными границами раздела Слой Толщина, км Глубина раздела, км Объем, % Скорость сейсмичес- ких волн, км/с Вычислен- ная плот- ность, г/см3 Р- волны 5-волны Кора 5—401 1,5 5,8—7,6 3,2—4,3 2,8 (средн.) Изменчива Раздел Мохоровичича 7,9—8,2 4,3-4,6 3,3-3,4 Мантия 2860 82,3 13,6 7,3 5,5- 5,8 2900 Граница ядра (раздел Гутенберга) 8,1 Нет 9,4-10.0 Внешнее 2200 15,4 10,0—11,0 ядро (средн.) 10,4 - 12 5120 Граница внешнего и внутреннего ядра — 11,1 - Внутрен- 1250 0,8 13,0—13,5 нее ядро (средн.) 6371 11,3 1 Обычно принимается, что средняя толщина (мощность) коры под океаническими впа- динами составляет 5 км. а под материками — 40 км. 98
Глава 2. Земля во Вселенной горячая срединно-океанический тпч!гду хребет движение континентальная кора до 60 км срединно- океанический хребет океан литосфера Х*100 км астеносфера 35^ км Рис. 2.21. Схема строения Земли [Корн С Пауэлл. 1991] горячая точка движение плит Очень важные исследования по определению формы Земли и анализу распределения плотности внутри Земли осуществляются с помощью грави- метрических методов. Несмотря на общее увеличение плотности с глуби- ной, наибольший скачок от 5,5 до 9,9 г/см3 фиксируется на глубине 2900 км. т.е. на границе нижней мантии и внешнего ядра. Это связывают с перехо- дом силикатов мантии с ковалентной и ионной связью к металлическому состоянию вещества во внешнем ядре, несмотря на то, что оно обладает свойствами жидкости. Принципиальное значение имеет некоторое пони- жение плотности в интервале глубин от 10—20 км под океанами до 250— 300 км под континентами. Этот слой, характеризуемый также и понижени- ем скорости сейсмических волн, может быть частично (не более 2%) рас- плавлен. Он выделяется в астеносферныи. т.е. «ослабленный» слой, выше которого располагается твердая и хрупкая литосфера Наличие астеносфе- 99
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем ры создает возможность перемещения по ней литосферных плит. Разница вязкости литосферы и астеносферы составляет 2—4 порядка Температуры внутри Земли распределены следующим образом: в коре (около поверхности М) — около 500°С; в астеносфере — около 1200°С: на границе с внешним жидким ядром — от 2000 до 3500 С; во внутреннем ядре — больше 4000°С. На основе рассмотренных параметров свойств вещества Земли можно ут- верждать, что в целом вещество планеты, за исключением внешнего ядра, твердое. Тем не менее в этом твердом веществе возможны процессы медлен- ного течения, о чем свидетельствуют форма планеты, близкая к равновесной, а также процессы изостазии, т.е. уравновешенности блоков земной коры и мантии. Это течение, или конвекция, например, в мантии хотя и происходит очень медленно, но определяет геологические процессы в земной коре, в ча- стности. перемещения литосферных плит (рис. 2.21). Скорость конвекции в жидком ядре больше скорости конвекции в ман- тии примерно в 30 раз, поэтому она определяет ряд принципиальных свойств планеты. Конвекция в ядре зародилась намного раньше (около 4.3 млрд лет назад), чем конвекциия в мантии, и предопределила возникновение систе- мы магнитного поля Земли, внешним проявлением которого является маг- нитосфера. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Почему Вселенная неоднородна в макромасштабе? 2. Что определяет форму галактик? 3. Почему жизненный путь массивной звезды короче жизни менее мас- сивной? 4. Что такое солнечная активность? 5. Что разделяют основные границы Земли? 6. Что представляют собой основные слои Земли с точки зрения систем? Рекомендуемая литература 1. Бернс Д.О. Гигантские структуры Вселенной // В мире науки 1986. № 9. С. 12-23. 100
Глава 2 Зе и м во Все генной 2. Гибсон Э. Спокойное Солнце. М.: Мир, 1977. 3. Гут А. Г., Стейнхардт П.Дж. Раздувающаяся Вселенная // В мире на- уки. 1984. № 7. С. 56—69. 4. Кононович Э.В. Солнце — дневная звезда. М.: Просвещение, 1982. 5. Корн С. Пауэлл. Вглядываясь вглубь // В мире науки. 1981. № 8. С. 79-88. 6. Короновский Н.В., Якушева А.Ф. Основы геологии. М.: Высшая шко- ла, 1991. 7. Ходж П. Галактики. М.: Наука, 1992.
глава СТРОЕНИЕ И ДИНАМИКА СФЕР ЗЕМЛИ В процессе своей эволюции Земля разделилась на ряд подсистем и стала слож- ной системой. Первыми возникли твердое и жидкое ядра, затем выделилась маг- нитосфера, мантия и литосфера. И лишь позднее образовались атмосфера, гид- росфера и биосфера. С появлением человека социального некоторые ученые (Тейяр де Шардена и В.И. Вернадский) стали выделять еще и ноосферу (сферу разума). Однако этот вопрос до настоящего времени является дискуссионным. Для нас наиболее важным представляется вопрос о строении, эволюции и взаи- модействии прежде всего магнитосферы, атмосферы, гидросферы и литосферы с космосом. 3.1 Строение и динамика магнитосферы Земли Магнитосфера — это самая внешняя оболочка Зем- ли. Ее существование и строение обусловлены взаи- модействием солнечного ветра с дипольным маг- нитным полем Земли. Если бы Земля была одинока в космическом пространстве, силовые линии маг- нитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от юж- ного магнитного полюса к северному (рис. 3.1, а). Плотность линий (напряженность магнитного по- ля) падала бы с удалением от планеты.
Гчава 3. Строение и динамика сфер Земли Однако магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнит- ными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем (рис. 3.1, б). Рис. 3.1: а — дипольное магнитное поле; б — магнитное поле Земли, транс- формированное потоком солнечного ветра [Гальпер А.М., 1999; сайт: http://kos- mofizika.ru/galper/galper.htm] Если магнитным влиянием самого Солнца и тем более планет из-за их удаленности можно пренебречь, то потоки частиц (солнечный ветер) необ- ходимо учитывать. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащих- ся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосфе- рой. Такие потоки несут сильные магнитные поля, для которых магнитное поле Земли служит препятствием. Поскольку скорость потока значительно выше скорости звука в солнечном ветре (сверхзвуковое обтекание препятст- вия), в соответствии с законами гидродинамики перед магнитосферой обра- зуется ударная волна, фронт которой имеет форму параболоида (рис. 3.1, б). Солнечная плазма, проходя через ударную волну, уплотняется, замедляет свое движение, нагревается и обтекает магнитное поле. Магнитное поле от воздействия сжимается и приобретает форму вытянутой полости — магни- тосферы. Ее граница называется магнитопаузой. Расстояние до лобовой точки магнитопаузы при скорости солнечного ветра 500 км/с и плотности 2,5 части ц/см’ оценивается примерно в 10 земных радиусов. На «подветрен- ной» стороне возникает «хвост» магнитосферы диметром до 40 радиусов Зе- мли и длиной несколько сотен радиусов. При вспышках на Солнце скорость солнечного ветра возрастает до 1000 км/с, и деформация усиливается. 103
Раздеч I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем В районе полюсов образуются «щели», через которые возможен про- рыв горячей плазмы в верхние слои атмосферы, в результате возникают се- верные сияния. Во всех других областях магнитосферы возможно лишь медленное просачивание частиц солнечной плазмы. Просочившиеся час- тицы оказываются в ловушке магнитного поля из-за замкнутости магнит- ного поля на полюсах и движутся вдоль силовых линий, образующих так называемые радиационные пояса. Магнитосферная плазма находится в по- стоянном конвективном движении, порождая электрические токи — эква- ториальную и полярную электроструи. Из полярных электроструй при сильных возмущениях частицы как бы впрыскиваются в ионосферу, поро- ждая полярные сияния (свечение атомов и молекул кислорода и азота на высотах 90—12 км) (рис. 3.2). Рис. 3.2. Виды северных сияний [Автор: Trygve Lindersen; сайт: http://astro.phys- fac.bspu.secna.ru/pub/show.html?id=439., 2002 г.[ При мощных вспышках в магнитосферу поступает множество импуль- сов. Возникает последовательная серия сжатий и расширений магнитосфе- ры, изменяющих магнитное поле у поверхности Земли, — суббури. Вместе они составляют картину большой магнитной бури, которая захватывает и ионосферу Сейсмомагнитосферные связи [Гальпер А.М., 2001] При детальном изучении изменений потоков высо- коэнергичных захваченных частиц, проведенном МИФИ на орбитальных станциях «Салют-6», «Мир» и ИСЗ «Метеор», было обнаружено новое яв- ление природы, связанно с воздействием сейсмической активности Земли на внутреннюю границу радиационного пояса, — сейсмомагнитосферная 104
Глава 3. Строение и динамика сфер Земш Рис. 3.3: а — стационарная траектория заряженной частицы в радиационном поясе: I — геомагнитное поле; 2 — траектория частицы; 3 — нижняя граница ради- ационного пояса: 5— высыпания частиц из СЭМИ радиационного пояса после вза- имодействия с электромагнитным излучением сейсмического происхождения: 1 — геомагнитное поле; 2 — траектория частицы; 3 нижняя граница радиационного пояса; 4 — очаг землетрясения; 5 — электромагнитное излучение; 6 — высыпающи- еся частицы; 7 — траектория спутника [Гальпер А.М., 1999; сайт: http://kosmofizika. ru/galper/galper.htm] связь. Физическое объяснение этого явления сводится к следующему. Из эпицентра предстоящего землетрясения испускается электромагнитное из- лучение, возникающее из-за механических перемещений подземных пород (трение, растрескивание, пьезоэффект и т.п.). Частотный спектр излучения довольно широкий. Однако, достичь радиационного пояса Земли (РПЗ), пройдя практически без потерь сквозь земную кору и атмосферу, может только излучение в диапазоне частот около 0,1 — 10 Гп. На нижней границе РПЗ электромагнитное излучение взаимодействует с захваченными электро- нами и протонами. Во взаимодействии активно участвуют частицы, привя- занные к тем магнитным силовым линиям (точнее, к трубкам из линий), ко- торые проходят через эпицентр предстоящего землетрясения. Если частота осцилляций частиц между зеркальными точками совпадет с частотой сейс- мического электромагнитного излучения (СЭМИ), то взаимодействие при- обретет квазирезонансный характер, проявляющийся в изменении питч-уг- лов захваченных частиц. Если в зеркальной точке питч-угол частицы станет отличным от 90°, это неизбежно вызовет снижение зеркальной точки, со- провождаемое высыпанием частиц из радиационного пояса (рис. 3.3, б). Из-за долготного дрейфа захваченных частиц волна высыпания (т.е. уход ча- стиц вниз) огибает Землю, и вдоль магнитной широты, на которой располо- жен эпицентр предстоящего землетрясения, образуется кольцо высыпания. 105
Раздел /. Принципы молюиии и взаимодействия сложных систем Кольцо может просуществовать 15—20 мин, пока все частицы не погибнут в атмосфере. Космический аппарат на орбите, проходящей под радиацион- ным поясом, зарегистрирует всплеск высыпающихся частиц, когда будет пересекать широту эпицентра предстоящего землетрясения. Проанализиро- вав энергетическое и временное распределение частиц в зарегистрированных всплесках, можно определить место и время прогнозируемого землетрясения. Обнаруженная связь между сейсмическими процессами и поведением захва- ченных частиц в магнитосфере Земли легла в основу разрабатываемого в на- стоящее время нового метода оперативного прогноза землетрясений. Магнитное поле Земли испытывает периодические колебания, что так- же отражается на мощности магнитосферы и ионосферы. Инверсии магнит- ного поля Земли являются наиболее долгопериодными и резко снижают мощность магнитосферы. Резкое понижение напряженности магнитного по- ля Земли и его экранирующей способности усиливает воздействие солнеч- ного излучения на биоту Земли. Более короткие экскурсы магнитного по- ля (отклонения магнитной оси) имеют период около 300 тыс. лет. 3.2 Строение и динамика ионосферы Земли Ионосфера — второй защитный слой, простираю- щийся от верхней границы стратосферы до высоты 1000 км. Причиной та- кой толщины является различная проникающая способность волнового и корпускулярного излучения на фоне снижения плотности атмосферы с вы- сотой. Название этого слоя связано с повышенным содержанием положи- тельных ионов и свободных электронов. Образование ионов на высотах от 80—85 до 400 км происходит за счет диссоциации нейтральных молекул под действием ультрафиолетовой, рентгеновской и корпускулярной радиа- ции Солнца. Температура в ионосфере с подъемом повышается и на высо- те около 120 км равна примерно +150°С В пределах ионосферы солнечная энергия преобразуется в другие виды энергии. В ионосфере текут интенсивные электрические токи, сила которых измеряется десятками тысяч ампер. Напряженность электрического поля ме- жду ионосферой и поверхностью Земли достигает 300 000 вольт. Поэтому на все изменения в ионосфере чутко реагирую! земные (теллурические) токи. Установлено, что с высотой в ионосфере плавно изменяются состав и концентрация ионов и электронов. На высотном профиле имеются макси- мумы концентрации. Их условно называют ионосферными областями — Fl, F2, Е, D. 106
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли Ионизация — это процесс, в котором отрицательно заряженные элект- роны «отнимаются» (или присоединяются) от нейтральных атомов или мо- лекул для образования положительно (или отрицательно) заряженных ио- нов и свободных электронов. В ионосфере свободно движутся электроны, которые очень важны для прохождения радиоволн на высоких частотах (КВ: 3—30 МГц). В течение дня могут существовать все 4 области (рис 3.4) на соответствующих высотах: область D: 50—90 км; область Е: 90—140 км; область F1: 140—210 км; область F2: более 210 км. Рис. 3.4. Дневная и ночная структуры ионосферы [Copyright IPS — Radio and Space Services Sydney, Australia] В течение дневного времени спорадический (непостоянный) слой Е ино- гда можно наблюдать в области D, и в определенное время солнечного цик- 107
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем ла области F1 и F2 объединены в общую область F. В ночное время области D, Е и F1 становятся очень бедными на свободные электроны, и только об- ласть F2 остается возможной для связи, хотя спорадический Е-слой доволь- но редко встречается ночью. Только слои Е, F1, спорадический слой Е (если присутствует) и об- ласть F2 преломляют высокочастотные волны. Область D также важна, хо- тя и не преломляет ВЧ радиоволны, а поглощает и ослабляет их. F2 является самой важной областью в распространении высокочастотных радиоволн, так как: она присутствует в течение 24 ч в день; высокое расположение этой области обеспечивает максимальную даль- ность связи; она чаще всего отражает самые высокие частоты в высокочастотном диапазоне. Время существования электронов самое продолжительное в области F2, что объясняет появление этой области в ночное время. Обычное время су- ществования электронов в областях Е, F1 и F2 — около 20 с. 1 мин и 20 мин соответственно. Электроны возникают при их столкновении с незаряженными атома- ми и молекулами (рис. 3.5). Так как для этого процесса необходима сол- нечная радиация, возникновение электронов происходит только в солнеч- ной части полусферы ионосферы. Когда свободный электрон связывается с заряженным ионом, обычно формируется нейтрально заряженная части- ца. По существу, исчезновение является процессом, противоположным возникновению. Возникновение и исчезновение — это постоянные про- цессы, которые происходят как днем, так и ночью. Рис. 3.5. Ионизация частиц [Copyright IPS — Radio and Space Services Sydney. Australia) Положительно заряженный ион Положительно заряженный ион 108
Глава 3. Строение и динамика сфер Земш Благодаря вертикальной стратификации ионосфера по-разному реаги- рует на внешние воздействия, что иногда приводит к возникновению ионо- сферных бурь. Исследования последних лет показали, что формирование погоды так- же тесным образом связано с корпускулярным излучением Солнца и по- ведения ионосферы. Было установлено, что под действием внедряющихся в атмосферу высоких широт заряженных частиц происходит разогрев по- лярной ионосферы, изменяются содержание озона (до 14%), электриче- ский потенциал ионосферы и происходит возбуждение планетарных волн, которые затем распространяются к средним и низким широтам. Возника- ющие вследствие этого эффекты влияют на погодные условия. Вариации степени ионизации из-за изменения солнечной активности приводят к изменению концентрации ионов и электронов, что сопровож- дается изменением планетарного электрического сопротивления и ионо- сферного потенциала. В результате изменяется суммарный планетарный электрический ток. Глобальная электрическая сеть является замкнутой и чутко реагирует на любые изменения. При ионосферной буре баланс на- рушается — возникает гроза. Электрический потенциал ионосферы регу- лируется совокупной активностью всех гроз на Земле. 3.3 Строение и динамика нейтральной атмосферы Атмосфера — это область между ионосферой и по- верхностью Земли, представленная нейтральными молекулами и атомами воздуха и пара. Масса земной атмосферы — 5.15 х 10г т, она давит на по- верхность 510,2 млн км2 и создает удельное давление 1,033 кг/см . Вследст- вие уменьшения плотности воздуха с высотой 90% массы атмосферы заклю- чено в слое до высоты 16.3 км и 99% — до 31,2 км. Поток лучистой энергии на земную атмосферу составляет 1,36 х 10’ Вт/м2 (солнечная постоянная). В атмосфере до высоты около 106 км содержатся хорошо перемешанные течениями воздуха газы (азот — 78%, кислород — 21, аргон — 0,9, углекис- ]ый газ — 0,03 и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона). Эти соотношения остаются неизменными на протяжении нескольких десятков километров в высоту. В атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вешества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ и хлор (из вулканов). 109
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем Кроме того, присутствуют ионизированные радикалы, пары воды, пыль и аэрозоли, что и определяет оптическую прозрачность атмосферы или про- пускную способность солнечной и галактической радиации. Состояние ат- мосферы может меняться при изменении содержания пыли и газов. Важной составной частью атмосферы является водяной пар, хотя на его долю приходится только 3% ее объема. Большая часть пара содержится в воздухе ниже высоты 3000 м. Количество пара в атмосфере изменяется в за- висимости от температуры. В холодном воздухе могут содержаться доли про- цента водяного пара. В воздухе некоторых жарких тропических областей его количество может достигать 4%. Высокая влажность воздуха — один из фа- кторов. объясняющих меньшую величину суточных и сезонных колебаний температуры в тропиках по сравнению с очень сильными колебаниями температуры в пустынях. Атмосфера состоит из тропосферы (8—16 км), стратосферы (до 50 км), мезосферы (до 82 км), термосферы (106 км), ионосферы (до 10 000 км) (рис. 3.6). Рис. 3.6. Схема строения атмосферы [Дроздов О.А.. Васильев В.А. и др., 1989] Толщина тропосферы достигает от 8 км у полюсов до 16 км у эквато- ра. По мере подъема над поверхностью Земли уменьшается температура тропосферы на 6,5 К на 1 км. Тропосфера неустойчива и охвачена силь- ными горизонтальными и вертикальными движениями. Тепловая энергия 110
Гшва 3. Строение и динамика сфер Земли в ней быстро преобразуется в кинетическую. В тропосфере выделяют плане- тарный пограничный слой 1—1,5 км, где скорость течений ослаблена из-за трения о земную поверхность. Здесь идет интенсивный обмен количеством движения, теплом и водяным паром между атмосферой и поверхностью Земли и океана, формируется облачная система, в которой скрытое тепло конденсации помогает развиваться сильным атмосферным возмущениям В тропосфере из-за перепада толщины имеются ограничения на меридио- нальные движения. Над тропосферой имеется переходный слой — тропо- пауза. которая определяет тропосферу от стратосферы. Далее расположена стратосфера, отличающаяся незначительным гради- ентом температуры и малыми сезонными его колебаниями. В стратосфере до 34—36 км температура увеличивается слабо. Стратосфера холоднее над тро- пиками (—80°С), где она служит как бы ловушкой, вымораживающей водя- ной пар. Поэтому влажность там мала и облаков не бывает. В стратосфере существуют 26-месячные колебания температуры и зональные составляющие ветра С высоты 34—36 км температура в стратосфере быстро возрастает до стратопаузы (50 км и Т = 270 К). Над стратопаузой находится мезосфера, где температура понижается до 180 К в верхней части. Здесь изредка образуются мезосферные, или сере- бристые, облака, есть волны и даже вихри. Переходный слой мезопаузы на высоте 82 км отделяет мезосферу от ле- жащей выше термосферы, где температура растет с высотой до 1400 К (на 250 км), а с дневной стороны в периоды активности Солнца — намного больше. Это самая теплая часть атмосферы. В стратосфере движение воздуха происходит не только в зональном, но и в меридиональном направлении. Атмосфера не только поглощает, но и отдает тепло. Потери тепла происходят в результате излучения термосферы, из-за перехода энергии УФ-излучения при диссоциации молекул в энергию столкновений и излучения. Воздух термосферы сильно поглощает УФ, Rx и корпускулярную со- ставляющую радиации Солнца и космоса. В ней тормозятся и сгорают ме- теориты. Это щит биосферы. Выше уровня 106 км (турбопауза) состав воздуха меняется, исчезают углекислота и водяной пар, появляется ионизированный кислород и сво- бодные электроны. Возникает ионосфера. Ее отличают высокая температу- ра и зависимость движения от ее магнитодинамических сил. В ней разви- ваются магнитные бури. Состояние атмосферы определяет метеоусловия на Земле. Существует глобальная система наблюдений — Всемирная службы погоды, которая вклю- чает 3,5 тыс. наземных метеостанций, 700 наземных астрономических стан- ций, метеоспутники и около 5 000 точек на транспортных и научно-исследо- вательских судах и в аэропортах. 111
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Чтобы прогнозировать погоду, нужно знать многое о состоянии атмосфе- ры, прежде всего тропосферы. Атмосферная циркуляция обусловлена непре- рывным потоком солнечной радиации, и сама атмосфера подобна гигантской тепловой машине. Нагревателем служат тропики, а холодильником — поляр- ные области. Лучистая энергия превращается в кинетическую энергию дви- жения воздуха. На границу атмосферы за I с поступает 17 х 10' Дж лучистой энергии. Часть энергии за счет атмосферного отражения (альбедо) рассеи- вается. Поверхности Земли достигает поток в 1,23 х 1017 Дж/с. 3.4 Строение и динамика гидросферы Земли Гидросфера (от греч. hydor — вода и sphaira — шар) — это непрерывная оболочка Земли, включающая всю воду в жидком, твер- дом, газообразном, химически и биологически связанном состоянии. Един- ство гидросферы определяется не только ее непрерывностью, но и посто- янным водообменом между ее частями и переходом из одного состояния в другое. Формирование водной оболочки Земли было тесно связано с процесса- ми дифференциации мантии. Гидросфера играет ключевую роль в форми- ровании химической и физической среды, климата и погоды, в возникно- вении жизни на Земле и ее развитии. Следы гидросферы можно найти во всех геосферах нашей планеты. Так, следы подземных вод могут достигать глубин 100 км [Павлов, 1977] и встречаться в верхних слоях атмосферы. В земной коре может находиться около 1,9 х 10у км3 воды. Часть подземных вод (200—500 тыс. км’) законсер- вирована в подземных льдах вечной мерзлоты. Объем Мирового океана достигает 1342 млн км\ причем около 30 тыс. км7 приходится на айсберги. Третье место по объему вод занимают ледники на земной поверхности. В настоящее время они покрывают 16,2 млн км2 суши. Общий объем лед- никового покрова Земли оценивается в 30 млн км2 [Котляков, 1979], что составляет 56% запасов вод континентов. Ежегодно на Земле выпадает около 1,7 х К)1 т снега (17 тыс. км3 воды). Количество воды, поступающее в атмосферу, оценивается в 12—14 тыс. км\ что составляет слой 25 мм на всю поверхность. Если сравнить эту цифру с количеством осадков (600 мм за сутки), выпавших в Швейцарии летом 2000 г 112
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли в течение шторма, становится ясным, насколько нелинейны процессы кру- говорота воды на Земле (рис. 3.7). Другой важной особенностью является резкое изменение альбедо (от- ражательной способности) на Земле из-за вариаций плотности облачности и площади снежно-ледового покрова, что существенно влияет на погодно- климатические условия планеты. В периоды оледенений на Земле, когда значительная часть поверхности континентов была покрыта ледниками, слишком большое количество солнечного тепла отражалось обратно, и на Земле долго удерживались суровые климатические условия. Рис. 3.7. Круговорот воды на Земле [Аллисон А.. Палмер Д„ 1984] Третья особенность гидросферы — наличие теплых и холодных тече- ний в Мировом океане, существенно влияющих на формирование цикло- нических обстановок на Земле и определяющих не только погодные, но и климатические условия (рис. 3.8, 3.9, 3.10). Течения существуют как у по- верхности. так и на глубине. Именно за счет них происходит ускоренный водообмен в океанах. Более того, теплые течения зачастую являются мес- том формирования циклонических обстановок. Кроме того, вдоль пассив- ных окраин континентов (например. Южной Америки, Африки и других побережий) часто возникает конвективный обмен вод по вертикали, называ- емый апвеллингом (up — вверх, well — воздымание). Отличительной особен- ностью таких течений является вынос к поверхности глубинных, холодных вод, насыщенных разными полезными веществами. Питательная среда спо- собствует массовому размножению планктона, что привлекает моллюсков, рыб, птиц, как это происходит у побережья Южной Америки в период отсут- ствия явления Эль-Ниньо. S ЗаказN 1707. 113
Рис. 3.8. Мировая карта поверхностных морских течений в обобщенном виде (течения отражены в пограничном слое океана) | Вайсберг Дж., 1980] Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
Гюва 3. Строение и динамика сфер Земли В поясах тропических пассатов с устойчивыми ветрами, дующими в по- стоянных направлениях, поверхностные слои морской воды увлекаются вет- ром (рис. 3.9). Пассаты дуют с северо-востока в областях, лежащих к северу от экватора, и с юго-востока в областях, расположенных к югу от экватора. Под их воздействием вода сгоняется к экватору с обеих сторон, здесь она дви- жется в западном направлении в виде экваториального течения, которое оги- бало бы весь земной шар. если бы на его пути не вставали континенты. Этим экваториальным дрейфом порождаются главные течения в экваториальной области Мирового океана. С северной Атлантики перемещающиеся к западу экваториальные воды подходят к восточным берегам Бразилии, откуда часть течения отклоняется вдоль северного берега Южной Америки. У Карибских островов оно разделяется. Часть его пересекает Карибское море и уходит в Мексиканский залив и далее за Флоридским проливом образует Гольфстрим. Такие же течения образуются в южной Атлантике и Тихом океане. Главный эффект поверхностных течений заключается в воздействии на климат. Рис. 3.9. Поверхностные океанические течения в Атлантическом океане. Наибо- лее крупными являются экваториальные течения, перемещающиеся в западном на- правлении: Гольфстрим и грандиозное круговращение воды в Северной Атлантике [Шотт. 1935] 8* 115
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Рис. 3.10. Широтный разрез глубинных плотностных течений в Атлантическом океане, обусловленных разницей солености (а) и разницей температуры (б) [Вюст, 1958] 3.5 Строение и геодинамика литосферы Литосфера (от греч. литое — камень) — верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной резкой границы в лежащую ниже астеносферу (от греч асте- но — слабый), прочность вещества которой относительно мала. Литосфера включает земную кору, т.е. верхнюю сиалическую оболочку Земли, и отде- ленную от нее границей Мохоровичича жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли предположительно оливин-пироксенового состава. Лежащая ниже часть литосферы сложена ультраосновными породами. Сверху лито- 116
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли сфера ограничена атмосферой и гидросферой, которые частично в нее про- никают. Мощность литосферы колеблется от 5—10 км под рифтовыми зона- ми океана до 250 км под горными сооружениями континентов. Земная кора подразделяется на два резко отличных типа. 1-й тип — это земная континентальная кора. Она состоит из трех слоев: верхнего — осадочного, второго — сложенного гранитами и метаморфически измененными породами (гранитно-метаморфический) и нижнего — близко- го к базальтам и поэтому называемого базальтовым (рис. 3.11). Территори- ально земная кора включает континенты, шельф и континентальный склон. Площадь 149—216 млн км2. Плотность горных пород земной коры состав- ляет 2,5—3,3 г/см3. Континент Океан Шельф Платформа СГ-3 К Б-Р Складчатая область Платформа (щит) ARyPR | о р ф и ч е с к и й -20 слой —Ц'./////////////////, -30 °'Четам '////////////////////,/// X Л. Л л л л л '//////// Базальтовый слой 1-40 1-50 ВЕРХНЯЯ МАНТИЯ Н.км 10 Условные обозначения: СГ-3 — Кольская, М — Мурунтауская, У — Уральская, К — Кубанская, БР — Берта-Роджерс; I — скважины судна Гломар-Челенджер; II — глубокие скважины на шельфе: 1 — гидросфера; 2 — осадочный слой океана: 3 — осадочный слой континентов; 4 — складчатые области фанерозоя; 5 — вулканогенные образования впадин; 6 — кристаллические породы докембрия; 7 — базальтовый слой континентов; 8 — базаль- товый слой океанов; 9 — верхняя мантия; 10 — разломы Рис. 3.11. Строение земной коры в разных геологических регионах и положе- ние отдельных сверхглубоких скважин [Козловский Е.А., 1984] 117
Раздел 1. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем Земная кора отделяется от слоя в верхней мантии достаточно резким скачком скорости. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских землетрясений впервые установил наличие этого раз- дела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной ко- ры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. 2-й тип представлен земной океанической корой, в составе которой отсут- ствует гранитно-метаморфический слой, а современные маломощные осад- ки и осадочные породы непосредственно залегают на базальтовом слое, ог- раниченном повсеместно снизу поверхностью М (рис. 3.12). Рис. 3.12. Разрез океанической коры в зоне срединно-океанического хребта [Дубинин Е.П., Галушкин Ю.И., 1991] На рис. 3.12 видна последовательность фаций, слагающих базальтовую океаническую кору, и указаны плотности этих фаций. Следует отметить, 118
Г шва 3. Строение и динамика сфер Зе или что снизу вверх фации по составу меняются от ультраосновных до основ- ных пород и постепенно уменьшается плотность. Движения земной коры Мы привыкли считать, что живем на неподвижной поверхности Земли. Однако эта самая незыблемая Земля, а точнее, твердая оболочка планеты — земная кора, испытывает вертикальные и горизонталь- ные перемещения. Только мы замечаем это редко или не замечаем вовсе. Земная кора медленно где-то опускается, где-то поднимается. Материки перемещаются по планете, растут горы, расширяются границы океана. Геодезическое нивелирование позволяет измерять высоту точек с боль- шой точностью. Таким образом, благодаря измерениям с помощью уровня и повторного нивелирования удалось установить, что огромная террито- рия Северной Европы медленно (со скоростью до 1 см в год) поднимает- ся. Со времен А. Цельсия (1701 — 1744), который первым доказал, что уро- вень Балтийского моря понижается, Фенноскандия поднялась на 2,5 м. Остатки последнего ледникового покрова растаяли 8 тыс. лет назад, а под- нятие все продолжается. Это эффект релаксации после снятия ледовой на- грузки, назван учеными гляциоизостазией. Максимально земная кора прогибалась в ледниковые эпохи на 700 м, а время релаксации (т.е. восстановления положения после снятия нагруз- ки) может длиться десятки тысяч лет. Однако в Голландии. Дании. Литве, Польше низменные участки под- топляются, т.е. происходит опускание земной поверхности. Средневековые замки, построенные в нескольких километрах от моря, теперь подмывают- ся водами Балтийского моря, а фундаменты разрушенных сооружений об- наруживаются под водой на глубине до 1,5 км. Опускание происходит со скоростью от долей до нескольких сантиметров в год. В пределах Восточно-Европейской платформы скорость современных движений составляет от десятых долей до нескольких миллиметров в год. Венеция в Италии погружается со скоростью 3 мм в год. Широко развиты вертикальные перемещения поверхностных и припо- верхностных слоев за счет процессов в рыхлых отложениях. Такие процессы имеют короткое время «жизни». Растут ли горы? На этот вопрос можно ответить «да», но лишь для мо- лодых гор. Нивелирование, проводимое в Швейцарских Альпах в течение по- следних 50 лет, показали, что горы растут со скоростью 1,5 мм в год. За 700— 1000 лет они поднимутся на 1 м. Гималаи растут быстрее — со скоростью 0,5—1 см в год. В то же время Уральские горы относятся к древним и. по- степенно разрушаясь, опускаются. Однако земная кора, а вернее литосфера, испытывает не только верти- кальные движения. Современные геологические исследования позволили 119
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем установить, что поверхность Земли состоит из плит. Плиты движутся отно- сительно друг друга в горизонтальном отношении. Так, согласно космогео- дезическим данным. Саудовская Аравия надвигается на евроазиатский кон- тинент в районе Загрос со скоростью около 1 см в год. С помощью методов математического моделирования на основе палеонтологических и палеомаг- нитных данных установлено, что в зонах океанических рифтов происходит раздвигание плит, причем наивысшая скорость горизонтальных перемеще- ний достигает 12—14 см в год. Тектоника литосферных плит и ОПП В 1910—1912 гг. немецкий метеоролог Альфред Ве- генер высказал предположение, что когда-то существовал один крупный материк, названный им Пангея. Этот суперматерик раскололся, и конти- ненты стали дрейфовать, удаляясь друг от друга, однако местами они, наобо- рот, сталкивались, образуя горные хребты. А.Вегенер был не первым, кто об- ратил внимание на поразительное сходство береговых очертаний Африки и Южной Америки, Европы и Северной Америки. Но он был первым, кто обосновал горизонтальные перемещения материков разнообразными геоло- гическими и геофизическими материалами. Однако эти материалы, особен- но касающиеся глубинного строения земной коры и мантии, были столь скудны, что не могли убедительно обосновать механизм движения конти- нентов. И гениальная догадка была практически забыта, но не всеми. Реанимация гипотезы А. Вегенера произошла в 60-е годы XX в. благо- даря прогрессу в геологических и геофизических исследованиях (рис. 3.13). Особое значение имели: палеомагнитные исследования, составление детальной карты рельефа океанского дна, обнаружение глобальной системы срединно-океанских хребтов с рифтами в осевой части и поперечными разломами, выраженны- ми глубокими ущельями; выявление линейного и знакопеременного хара- ктера магнитных аномалий океанского дна, резко отличных от континен- тальных аномалий; линейность распределения эпицентров землетрясений по границам литосферных плит; установление наклонных сейсмофокаль- ных зон Беньофа, маркирующих зоны поддвига литосферных плит, и оп- ределение смещений в очагах (гипоцентрах) землетрясений, что дало воз- можность выявить ориентировку поля напряжений. Основная идея теперь уже не гипотезы, а теории тектоники литосфер- ных плит заключается в признании делимости верхней оболочки земной коры — литосферы, располагающейся над более пластичным и, возможно, частично расплавленным (до 2%) слоем астеносферы, на отдельные плиты. Вся толща литосферы замкнута вокруг земной поверхности, поэтому каж- дое движение любой литосферной плиты, вызванное вариациями раздви- говых процессов в рифтовых зонах или столкновениями континентов, ме- 120
Глава 3. Строение и динамика сфер Земш БАССЕЙН ТИХО- М БАССЕЙН АТЛАНТИ- I 1 ЗАТОПЛЕННЫЙ ОКЕАНСКОГО ТИПА И ЧЕСКОГО ТИПА I 1 КОНТИНЕНТ Рис. 3.13. Палеореконструкции материков [Нанс Р.Д., Уорсли Т.Р.. Муди Д.Б. 1988] няет всю картину литосферных напряжений. В настоящее время выделяет- ся 7 больших и несколько мелких плит, между которыми различают три типа основных границ (рис. 3.14). Условные обозначения: 1 — границы подвига; 2 — границы раздвига (рифты); 3 — границы материков; 4 — направление движения литосферных плит Рис. 3.14. Схема движения литосферных плит 121
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия с ю.жных систем Первый тип представлен расходящимися, или дивергентными, граница- ми. В океанах эти границы располагаются в сводовой части срединно-океа- нических хребтов, где находятся глубокие ущелья — рифты (рис. 3.12, 3.15). - 20 000 лет от начала сп рединга Рис. 3.15. Батиметрические профили через хребтов [Дубинин Е.П. и Ушаков С.А., 2001] долины быстро раздвигающихся Система рифтов имеет протяженность около 80 тыс. км и охватывает все океаны. При изучении механизмов очагов землетрясений было выяв- лено, что в рифтах развиты процессы растяжения. Это подтверждается и палеомагнитными данными (рис. 3.16, 3.17). Как показано на рис. 3.12, 3.16, в зоне океанической рифтовой зоны происходит раздвигание литосферных плит и в ослабленную зону (рифтовую долину) внедряется магма из верхней мантии. Как только магма остынет до температуры около 500°С (точка Кюри), она намагничивается в соответст- вии с ориентировкой существующего магнитного поля. Спустя некоторое время следующая порция магмы разрывает застывший участок примерно пополам и раздвигает половинки в разные стороны. В случае инверсии магнитного поля намагничение пород будет противоположным. В резуль- тате породы океанического дна образуют полосчатую почти параллельную 122
Глава 3. Строение и динамика сфер Зе мт Современная эпоха О Плейстоцен j I l | | 1 2 Плиоцен J_____I_____I____L 3 4 млн лет Миоцен Рис. 3.16. Инверсии магнитного поля и их отражения в породах океаническо- го дна начиная с рифтовой зоны [Аллисон А.. Палмер Д.. 1984] магнитную структуру, фиксирующую все этапы инверсий магнитного поля Земли. По мере отодвигания от центра литосфера все больше остывает, к ней снизу постепенно прирастает слой (полная аналогия утолщению льда по мере удаления от полыньи), который увеличивает общую толщину и, следовательно, вес плиты. Зависимость толщины плиты Н (км) от возрас- та литосферы описывается достаточно просто: H(t) = cVt. Таким образом, по мере удаления от центра плита стареет, утяжеляет- ся и прогибается под собственным весом. Бывший рифтовый край образу- ет пассивную континентальную окраину с типичной корой континенталь- ного типа (рис. 3.18). 123
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Современная эпоха нормальной полярности - эпоха Брюнес Напряженность магнитного поля Положительная с; га Среднее значение о Уровень моря Отрицательная Мантия * Конвекция Рис. 3.17. Схема образования параллельно намагниченных пород в зоне рифта [Аллисон А., Палмер Д., 1984| Рис. 3.18. Схема зрелой сталии рифтогенеза с образованием пассивной окраи- ны (правая часть рисунка) 124
Глава 3. Строение и динамика сфер Земш Именно поэтому самые глубокие части Атлантического океана рас- полагаются между континентальным склоном и срединным хребтом (рис. 3.19). Рис. 3.19. Особенности строения дна Атлантического океана. Справа распола- гается срединно-атлантический хребет [Majesty Н. The story of the Earth. Geological Museum, 1972] Литосферные плиты в зоне рифтов могут раздвигаться со скоростью от нескольких миллиметров до 15—18 см в год. Второй тип границ — конвергентные (границы столкновения). Они ха- рактеризуют участки сжатия, столкновения и даже погружения тяжелой океанической коры под более легкую континентальную кору (рис. 3.20). 125
Разде ! /. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем Рис. 3.20. Тип конвергентных границ в районе Японии. На приведенных раз резах нанесены температурные поля в цвете и гипоцентры землетрясений (кружки) (Dapeng Zhao, 2001] 126
Гlaea 3. Строение и динамика сфер Земли Протяженность границ этого типа составляет около 60 тыс. км, осо- бенно хорошо они выражены по периферии Тихого океана и в Альпийско- Гималайском горно-складчатом поясе. Механизмы очагов землетрясений в конвергентных зонах демонстрируют обстановки сжатия. Пододвигающи- еся плиты испытывают значительное сопротивление поддвигу. поэтому плоскость скольжения интенсивно разогревается, возникают очаги плавле- ния, материал которых прорывается наверх и образует вулканы. Именно таким образом образовалось «огненное», или вулканическое, кольцо Тихо- го океана. Возможны три варианта столкновения. Во-первых, если сталки- вается молодая океаническая плита (например, Наска) с континентальной плитой типа Америки, то угол поддвига будет пологим, так как молодая океаническая плита обладает повышенной плавучестью. Во-вторых, если происходит столкновение старой океанической плиты (Восточно-Тихооке- анская) с континентом (Япония), то угол поддвига будет значительно круче (рис. 3.20). В-третьих, при столкновении двух континентальных плит, обла- дающих одинаковой плавучестью, поддвиг происходить не будет. На месте «шва» возникнут горы — например, Гималаи. Гиндукуш. Альпы. Существует еще один тип границ — трансформные разломы. Они имеют прямолинейные очертания, и очаги землетрясений, расположенные вдоль них, показывают условия сдвига. Такие трансформные разломы в изоби- лии пересекают срединно-океанские хребты и смещают их отрезки. Они же разделяют литосферные плиты с боков (рис. 3.19, 3.21). Рис. 3.21. Батиметрическая схема трансформного разлома Чарли — Гиббса с эпицентрами и фокальными механизмами землетрясений (слева) [Kanamori Н , Stewart G., 1976; Searle R., 1980]; схема трансформного разлома (справа): а — в пла- не, б — в разрезе [Теркот Д., Шуберт Дж., 1985] Океанический хребет хребет 127
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Учитывая, что диаметр земного шара остается сравнительно постоян- ным, разрастание или спрединг океанического дна должны компенсиро- ваться погружением или субдукцией. Вот, собственно, и весь механизм движения литосферных плит. От сре- динно-океанических хребтов разрастающаяся океаническая литосфера под действием конвекции мантии перемещается к глубоководным желобам. Здесь она. пододвигаясь под другую плиту, поглощается в мантии. Плита как бы тонет под действием сил раздвигания и утяжеления от процессов старения и уплотнения. Она достигает границы в 670 км между верхней и нижней мантиями и либо выполаживается вдоль нее, либо проникает и в нижнюю мантию до глубин в 1000 км, пока ее свойства не сравняются со свойствами окружающей мантии (рис. 3.22). Именно поэтому нигде в океа- нах не встречается кора древнее 170—180 млн лет. Вся более древняя лито- сфера за это время уже погрузилась в мантию и стала недоступна для наблю- дения. Все. что известно о более древней геологической истории, получено в результате наблюдений на континентах. Рис. 3.22. Схема геодинамического развития [Хайн В.Е., 1981]: 1 — древняя континентальная кора; 2 — океаническая кора; 3 — молодая субконтинентальная кора; 4 — внедрение основной и ультраосновной магмы; 5 — обломочные отложе- ния; 6 — глинистые отложения (аспидная формация); 7 — аккреционный клин 128
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли Тектоника литосферных плит позволила объяснить практически все особенности геологического развития различных структур, понять, как рож- дается океаническая кора, куда она исчезает, как и почему происходит фор- мирование вулканических толщ разного состава, как и где образуются гор- но-складчатые сооружения. Согласно палеомагнитным данным, движение континентов происходило уже 3,5 млрд лет назад. Рис. 3.23. Схема глобальной мантийной конвекции в Земле Дискуссионным вопросом является движущий механизм тектоники плит, хотя практически все исследователи сходятся во мнении, что им яв- ляется та или иная форма конвекции мантийного вешества. Более нагретые струи поднимаются вверх (зоны спрединга), более холодные опускаются вниз (зоны субдукции) (рис. 3.22, 3.23). Недавно японские ученые Сигено- ри Маруяма и Наоюки Фудзия высказали идею, что тектоника плит — это только определенный этап в развитии Земли. 9. Заказ № I707. 129
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Границы плит и ОПП. Рассмотрим, какие процессы свойственны раз- личным типам литосферных границ. Дивергентный тип границ, как уже указывалось, связан с напряжениями растяжения и маркируется линейны- ми зонами распределения землетрясений (рис. 3.24, а). Одновременно съемки характера морского дна в зонах рифтов, проведенные с помощью глубоководных аппаратов, показывают, что в рифтовых долинах распола- гаются зоны современного вулканизма (рис. 3.24, б). Кроме того, эпицен- тры землетрясений и отдельные вулканы выстраиваются вдоль активных ветвей трансформных разломов. Данную ситуацию удобно представить практически. Попробуйте разорвать лист бумаги, растягивая его руками в разные стороны. Разрыв возникнет в месте наибольшей концентрации де- фектов. Лист будет рваться с треском и неровно. Точно так же разрыв ли- Положение эпицентров землетрясений в 1990—1996 гг. Магнитуды 4 и более (цветные указатели глубин: красный — 0—33 км, оранжевый — 33—70 км, зеленый — 70—300 км, голубой — 300—700 км) Рис. 3.24, а. Карта распределения сейсмичности | http://terra.nse.edu/plate boundary] 130
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли Распределение активных вулканов Рис. 3.24, б. Карта распределения вулканизма тосферы в зоне рифта под действием растяжения от мантийных струй бу- дет сопровождаться землетрясениями и внедрением мантийного вещества в рифтовую долину с образованием вулканов (рис. 3.24, а,б). Литосфера будет рваться по блокам, а блоки будут по-разному сдвигаться вдоль трансформ- ных разломов, создавая неровности рифтовой зоны в глобальном масштабе. Таким образом, вся рифтовая сеть мира маркируется четкими линиями зем- летрясений и цепочками подводных вулканов. Второй тип границ — зон поддвига и столкновения литосферных плит маркируется широкими зонами землетрясений и вулканическими грядами над зонами поддвига (рис. 3.20, 3.24, а,б). Попробуйте потереть ладони друг о друга, сразу почувствуете тепло в зоне трения. Точно так же. когда одна плита пододвигается под другую, выделяется огромное количество тепла, ко- торое расплавляет на контакте все породы. Расплавленное вещество проры- вается вверх в виде вулканов. О* 131
Разде i 1. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Таким образом возникли Тихоокеанское огненное кольцо и вулканы Средиземного моря. В случае столкновения континентальных плит под- двиг прекращается, и в зоне столкновения начинаются процессы смятия, горообразования и растрескивания, сопровождаемые только землетрясени- ями, распределенными воль различных разломов. Ярким примером может служить весь Альпийско-Гималайский пояс. Здесь максимально развиты го- рообразовательные процессы. Наличие резких контрастов рельефа является предпосылкой активного развития склоновых процессов. Здесь возникают обвалы, оползни, лавины, сели, пульсирующие ледники и др. Кроме того, горные цепи, фиксирующие зоны столкновения континентальных участков плит, являются значительной преградой на пути движения воздушных масс, поэтому именно в предгорьях происходит разгрузка циклонических потоков в виде ливней. Горные цепи на Земле как бы определяют коридоры движе- ния воздушных основных потоков. Рельеф гор обусловливает высотную зо- нальность распределения температур и давления и, таким образом, распреде- ляет процессы выветривания. Расчлененность рельефа усиливает воздушную и водную эрозионную деятельность. Третий тип границ — трансформный — обеспечивает скольжение ли- тосферных плит различной толщины друг относительно друга, поэтому здесь развиты сейсмические и вулканические процессы (рис. 3.21). Таким образом, все выделенные на Земле плиты оконтуриваются эпи- центрами землетрясений, а зоны рифтов, поддвига и трансформных разло- мов маркированы еще и вулканами. Иными словами, динамика литосферных плит отражена в опасных процессах сейсмичности, вулканизма, склоновых и эрозионных процессах. 3.6 Взаимодействие систем космоса и Земли — основной источник ОПП Наиболее динамичными, а следовательно, отклика- ющимися на внешние воздействия, зонами являются верхние оболочки Зе- мли: магнитосфера, атмосфера, гидросфера и литосфера. Но самой измен- чивой является биосфера, так как она проникает в три последние указанные оболочки. Действительно, мы наблюдаем, как ежедневно меняется погода, которая обусловлена взаимодействием океана, атмосферы и космоса, так как 132
Глава 3. Строение и динамика сфер Земли Рис. 3.25. Схема взаимодействия систем Земли и космоса (Иванов О.П., 1991] 133
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем он одновременно влияет на климат и погоду. Это достаточно хорошо замет- но во время солнечных вспышек. Землетрясения и вулканы также являют- ся дирижерами погоды и климата и, в свою очередь, подчинены гравита- ционным влияниям Луны и Солнца. Состояние поверхности моря целиком зависит от атмосферной деятельности. Обвалы, сели, лавины зависят от обилия атмосферных осадков, состояния и характера грунта, наличия спу- сковых толчков (землетрясений, промышленных взрывов и др.). Наводне- ния зависят от обилия осадков, инфильтрационных возможностей грунта и уровня грунтовых вод. Можно и дальше продолжать список различных ситуаций. Суть состоит в том, что именно в пограничных зонах происхо- дит наложение ритмов и влияний различных систем. Поэтому здесь быст- рее достигается состояние сильной неравновесности, возникают ситуации параметрического нелинейного резонанса в локальных подсистемах или просто осуществляются экстремальные воздействия на них. Следствием, как правило, являются ситуации возникновения ОПП. Верхние части ли- тосферы и биосфера как раз и являются такой пограничной зоной — по- лигоном совместных воздействий различных подсистем Земли и систем кос- моса. На рис. 3.25 представлена схема взаимодействия космоса и различных сфер Земли. Из нее видно, что зоны биосферы и верхней части земной ко- ры являются наиболее динамичными, так как здесь происходит суммирова- ние многих процессов. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Каковы функции магнитосферы, ионосферы, атмосферы, гидросферы и литосферы? 2. За счет каких процессов существует ионосфера? 3. По каким признакам атмосфера делится на слои? 4. Какова роль гидросферы в системе Земля? 5. В чем структурное различие земной и океанической коры? 6. Каков движущий механизм тектоники плит? 7. Особенности границ литосферных плит с позиций ОПП. 8. В чем причины линейной полосатости магнитного поля океана? 134
Глава 3. Строение и динамика сфер Земги Рекомендуемая литература 1. Апродов В.А. Вулканы. М_: Мысль, 1982. 2. Волг Б.А. Землетрясения. Общедоступный очерк. М.: Мир, 1981. 3. Взаимодействие в системе литосфера, гидросфера, атмосфера. М , 1996. 4. Дроздов О.А. Васильев В.А. и др. Климатология. М.: Гидрометеоиздат, 1989. 5. Дубинин Е.П., Ушаков С.А. Океанический рифтогенез. М.: ГЕОС, 2001. 6. Нанс Р.Д., Уорсли Т.Р., Муди Д.Б. Суперконтинентальный цикл // В мире науки. 1988. № 9. С. 34—35. 7. Селиванов А.О. Изменчивая гидросфера Земли // Сер.: Знание. Нау- ки о Земле. М.: Знание. 1990. № 10. 8. Сполл Г. Землетрясения и тектоника плит // Импакт. 1983. № 3. С. 24-27.
глава ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОГНОЗА ОПАСНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ Мировой опыт показывает, что затраты на прогнозирование и обеспечение готов- ности к природным событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по срав- нению с затратами на предотвращение ущерба. Более того, современное эконо- мическое планирование немыслимо без учета природных опасностей, без учета степени риска, целиком базирующегося на принципах прогноза. Прогноз и пре- дупреждение кризисов различного рода, а также оценка стратегических рисков непосредственно связаны с концепцией устойчивого развития всех стран. Предпосылкой успешной защиты от природных катастроф различного характе- ра является познание причин их возникновения и механизма действия. Зная сущность процессов, их можно предсказывать. Спектр взаимодействия слож- ных глобальных эволюционирующих систем с возникающими опасными при- родными процессами весьма широк. Прогноз любого экстремального явления имеет свою специфику. Однако наиболее разработанным с методических и тео- ретических позиций и даже с позиций мониторинга наиболее обеспеченным яв- ляется метеорологическое прогнозирование. В связи с тем, что по числу жертв и объему ущерба атмосферные явления за нимают первое место среди катастрофических явлений, мы посчитали целе- сообразным в основу данной главы положить рассмотрение принципов про- гноза именно метеорологических явлений, а все остальные виды прогнозов будем рассматривать попутно с изложением соответствующего специального материала. Будущая погода — на следующий день, месяц, сезон или год — интересовала людей всегда. Начиная с Аристотеля ученые занимались этой проблемой более двух тысячелетий. Первый ученый, который заложил фундамент научного изу- чения погоды, был директор Парижской астрономической обсерватории Урбан Леверье. В 1855 г. он составил первую карту погоды. Отечественная служба по- годы существует с 1 января 1872 г. 136
4.1 Научные принципы прогноза ОПП (на примере метеоусловий) Прогнозом погоды называется описание ожидаемых погодных условий. Форма представления прогнозов может быть различной: текстуальной, табличной, графической или аналитической. Для населения ис- пользуется чаше табличная форма. В графическом виде прогнозы оформляются в виде карт и графи- ков. Все результаты наблюдений, характеризующие исходное состояние погоды, называются исходными данными. Метеорологическое прогнозирование является частью прогностики — науки о закономерностях раз- работки прогнозов. Одной из составляющих частей прогностики является предвидение. В основе прогно- стики лежат предсказание (описание возможных со- стояний, перспектив развития в будущем) и предука- зания (использование информации о будущем для це- ленаправленной деятельности человека и общества). Предсказание представляется в форме предчувствия, предугадывания и прогнозирования. Предчувствие — уровень интуиции, предугадывание — информация на основе опыта, прогнозирование — научное исследова- ние по перспективам развития явления или процесса. В основе прогнозов лежит экстраполяция зако- номерностей настоящего и прошлого в будущее. Прогресс в области прогнозирования природных атмосферных явлений сдерживается рядом обстоя- тельств. Прежде всего следует учитывать, что в лю- бых реальных природных процессах присутствуют 3 составляющие: детерминированная, которая поддается точному расчету на период, достаточный для целей прогно- зирования; вероятностная, которая выявляется в процессе изучения прогнозируемого явления; при этом точ- ность предсказания зависит от успешного выявления закономерностей развития процесса; 137
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем случайная, которая на современном уровне знаний не поддается пред- сказанию. Основой прогнозирования являются 3 взаимодополняющих источника информации о будущем поведении объекта исследования: 1) оценка буду- щего состояния прогнозируемого объекта на основе опыта или аналогий; 2) распространение на будущее известных сейчас тенденций; 3) моделиро- вание будущего состояния объекта исследования. Из этого следует 3 спосо- ба разработки прогнозов: 1) экспертное оценивание для получения объек- тивных оценок прогнозного' характера; 2) экстраполирование — построение динамических рядов эволюции исследуемого процесса с распространением на будущее известных закономерностей; 3) моделирование, чаше с помо- щью системы уравнений гидротермодинамики атмосферы. Атмосферные процессы разномасштабны. Крупномасштабные процессы могут быть описаны индивидуально, а мелкомасштабные — только статисти- чески, по производимым им эффектам, так как мы никогда не знаем точно начальных условий. Это прежде всего связано с тем, что диагностирование начальных условий идет на синоптических и аэрологических станциях, рас- стояние между которыми в десятки раз больше линейного масштаба турбу- лентности. плюс случайные ошибки измерений, интерполяции, округления. В результате наблюдений за погодой выявить и предсказать надвигаю- щуюся катастрофу можно лишь непосредственно перед самой катастро- фой. Однако для успешного планирования профилактических и защитных мероприятий по борьбе со стихийными атмосферными явлениями жела- тельно иметь представления о подверженности тех или иных регионов раз- личным атмосферным явлениям, о частоте и размерах катастроф, которые могут произойти в конкретном районе. Получить такую информацию мож- но только благодаря применению статистических методов. Прямая оценка данных наблюдений за погодой может дать представ- ление о частоте произошедших катастроф. Допуская, что вероятность этих событий остается постоянной во времени, на будущее предсказывают ту же частоту событий, которая наблюдалась в прошлом. Таким образом, прогноз заключается в экстраполяции имеющихся данных на будущее. Как прави- ло, имеющиеся надежные данные относятся к ограниченному интервалу времени (50—100 лет), и если за этот период на изучаемой территории не наблюдалось катастроф (например, ураганов определенной силы), то это не означает, что в будущем за более длительный промежуток времени они не возникнут. Поэтому методы статистики применяются, как правило, при среднесрочных прогнозах. Они основываются на принятии каких-либо статистических моделей, которые всегда являются приближенными. Получаемые методом статистического анализа оценки степени риска для конкретных регионов в отношении конкретных атмосферных явлений наряду с учетом их географического положения используются для целей районирования. На основании данных районирования определяют терри- тории, наиболее подверженные тому или иному неблагоприятному атмо- 138
Г iaea 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов сферному явлению. Затем планируют и проводят мероприятия предупре- дительного и защитного характера, снижающие степень риска: определяют места строительства тех или иных объектов (жилья, промышленных пред- приятий, электростанций и др.), разрабатывают нормы строительства, пре- дусматривают различные защитные устройства (например, громоотводы), отводят площади под посевы сельскохозяйственных культур и т.п. Прогнозы погоды чаще составляются на основе синоптического мето- да и путем предвычисления погоды. Современная наиболее полная синоп- тическая карта была создана во Вторую мировую войну (хотя в сокращен- ном варианте она использовалась и раньше), ибо успех многих операций, в том числе вторжение на побережье Нормандии, полностью зависел от поддержки морскими и воздушными силами. Нанесенные на синоптическую карту метеорологические элементы по- зволяют одновременно обозревать состояние погоды на достаточно боль- шой территории, выявить характер развития атмосферных процессов и на этой основе рассчитать вероятное изменение погодных условий. На карты погоды наносятся данные метеорологических наблюдений у поверхности Земли и на всех доступных для наблюдения высотах, эти на- блюдения должны быть проведены едиными метеорологическими прибо- рами и по определенной программе. Полученные данные стекаются к ис- следователям с метеостанций. Составленные по ним синоптические карты тщательно анализируются, чтобы выяснить, откуда в район приходит при- земный воздух, в какой барической системе он циркулирует, как взаимо- действует с земной поверхностью, существуют ли атмосферные фронты, способные оказать действенное влияние на погоду, с какой скоростью и как дуют ветры, куда и с какой скоростью перемешаются барические системы и атмосферные фронты, как они изменяются, каков суточный ход погоды. Помимо качественной оценки, вычисляется целый ряд конкретных количе- ственных показателей. По полученным данным синоптик определяет состо- яние облачности, температуры воздуха дня и ночи, направление и скорость ветра, количество атмосферных осадков и характер их выпадения. Для это- го рассчитывают значение этих метеорологических элементов на основе за- кономерностей, выявленных синоптической метеорологией. Предвычисление погоды осуществляется с помощью ЭВМ, куда посту- пает вся имеющаяся информация с сотен метеостанций и постов, располо- женных на суше и в океане. Информация опознается, проходит сортировку и подвергается специальной обработке, далее снова анализируется, равно- мерно распределяется по карте. Затем информация вводится в термодинами- ческие уравнения, которые описывают состояние погоды в данный момент времени с учетом всех возможных явлений и факторов, в той или иной сте- пени влияющих на состояние погоды. По уравнениям рассчитывают величины атмосферного давления, напра- вление и скорость ветра, температуру приземной части воздуха, количество осадков на 12, 24 и 36 ч вперед. Эти результаты передают на автоматические 139
Раздел I Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем графопостроители, которые вычерчивают карты будущего состояния погоды. Прогностические карты уточняют по снимкам, полученным со спутников. На космоснимках отражены характер и подвижность облачности, места за- рождения и направления циклонов и антициклонов. Дня начальных данных всегда исследуется комплекс метеорологических параметров. Например, рассмотрим изменение средней температуры воздуха посуточно. Напомним: максимальная температура воздуха — между 14—17 ч, минимальная — перед восходом Солнца (из-за запаздывания). Разность рав- на амплитуде суточного хода. Аналогично определяется амплитуда годового хода (между 17—25 июля и 15—25 января). Влажность воздуха: максимальное и минимальное значения упругости водяного пара, точки росы, максимальная относительная влажность в самую холодную часть суток. Сейчас сообщают индекс температуры и влажности. Крайние значения ветра (наиболее сильный в 13—15 ч, самый слабый — перед восходом). Далее измеряется толщина слоя выпавших осадков. Исс- ледуют движение атмосферных фронтов на ближайшие 12—24 ч и особен- ности их циркуляции, а также вертикальные разрезы воздуха. На длительные сроки при прогнозировании используют несколько мето- дов. Главным является синоптический, который дополняется гидродина- мическим и статистическим анализами. Синоптические карты (карты погоды) Для характеристики и изучения многих атмосферных явлений, а также для прогноза погоды необходимо одновременно проводить различные наблюдения во многих пунктах и фиксировать полученные дан- ные на картах. В метеорологии обычно применяется так называемый си- ноптический метод. На территории США каждый час (в некоторых странах — реже) про- водятся наблюдения за погодой. Характеризуется облачность (плотность, высота и вид); снимаются показания барометров, к которым вводятся по- правки для приведения полученных величин к уровню моря; фиксируются направление и скорость ветра; измеряются количество жидких или твердых осадков и температура воздуха и почвы (в срок наблюдения, максимальная и минимальная); определяется влажность воздуха; тщательно фиксируются условия видимости и все прочие атмосферные явления (например, гроза, туман, дымка и т.п.). Наземные синоптические карты. Каждый наблюдатель кодирует и пере- дает информацию по международному метеорологическому коду. Посколь- ку эта процедура стандартизирована Всемирной метеорологической орга- низацией, такие данные могут быть легко расшифрованы в любом районе мира. Кодирование занимает около 20 мин, после чего сообщения передают- ся в центры сбора информации, происходит международный обмен данны- 140
Гчава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов ми. Затем результаты наблюдений (в виде цифр и условных знаков) наносят- ся на контурную карту, на которой точками указаны метеорологические станции. Таким образом, синоптик получает представление о погодных усло- виях в пределах крупного географического региона. Общая картина стано- вится еще более наглядной после того, как точки, в которых зафиксировано одинаковое давление, соединить плавными, сплошными линиями — изоба- рами и нанести границы между разными воздушными массами (атмосферные фронты). Выделяют также районы с высоким или низким давлением. Карта станет еще более выразительной, если закрасить или заштриховать терри- тории, над которыми в момент наблюдений выпадали осадки. Синоптические карты приземного слоя атмосферы являются одним из основных инструментов прогноза погоды. Специалист, разрабатывающий прогноз, сравнивает серии синоптических карт на разные моменты наблю- дений. Таким образом он может изучить динамику барических систем, от- мечая изменения температуры и влажности внутри воздушных масс по мере их перемещения над различными типами подстилающей поверхности. Облака верхнего яруса (перистые) Видимость (400 м) Точка росы, °C Направление ветра (северо-западный) Погода в срок наблюдений- (слабый непрерывный снег) Температура воздуха, °C Общее количество облаков — (небо закрыто) Скорость ветра (9-11 м/с) — Облака нижнего яруса (разорванно-слоистые или разорванные кучевые) Высота нижнего основания облаков ----- (90-180 м) 0 -Т-6 Знак барической тенденции Количество осадков за последние 6 ч Облака среднего яруса (высоко-кучевые) Давление на уровне моря (первая цифра 9 или 10 - не указывается) (1014,7 мбар) Характеристика барической тенденции (рост) Величина барической тенденции в десятых долях (мбар) Время начала или окончания осадков (начались 3-4 ч назад) Погода в последние 6 ч (дождь) Рис. 4.1. Система синоптических параметров, подлежащих анализу для прогно- за погоды [Вайсберг Дж., 1980] Количество облаков нижнего яруса (7 или 8 баллов) 141
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Высотные синоптические карты. Облака перемещаются воздушными те- чениями обычно на значительных высотах над земной поверхностью Поэ- тому для метеоролога важно располагать надежными данными для многих уровней атмосферы. На основании данных, полученных при помощи метео- зондов, самолетов и спутников, составляют карты погоды для 5 высотных уровней. Эти карты передаются в синоптические центры. Пол синоптическим положением понимается совокупность синоптиче- ских объектов, распределенная в пространстве (рис. 4.1). 4.2 Виды метеорологических прогнозов опасных природных процессов По времени прогностика делит все прогнозы на опе- ративные (текущие — от десятков минут до нескольких часов), краткосрочные (в основном для количественных изменений — от полусуток до 36—48 ч), среднесрочные (для количественных и качественных изменений — 3—10 су- ток), долгосрочные (количественные и главным образом качественные — ме- сяц, сезон) и сверхдолгосрочные (качественные изменения — несколько лет). По масштабу прогнозы делят на локальные, региональные и глобальные. Кроме того, в последнее время строятся так называемые ситуационные про- гнозы. Они даются не на конкретный промежуток времени, а на конкретную ситуацию, которая может возникнуть в будущем. Наиболее типичный ситуа- ционный прогноз — это прогноз загрязнения воздушного бассейна города, района или региона в зависимости от различных синоптических факторов. В оперативных подразделениях Гос ком гидро мета разрабатываются следу- ющие виды краткосрочных прогнозов: суточные (с 18.00 до 18.00 следующего дня), оперативные (на запросы потребителя с необходимой заблаговременно- стью) и штормовые предупреждения (независимо от заказа). Существуют про- гнозы общего пользования, специализированные и количественные. Краткосрочные прогнозы возникновения стихийных атмосферных явле- ний заключаются в прогнозе погоды, т.е. в заблаговременном предсказа- нии состояния атмосферы (температура, давление, влажность, облачность, осадки, ветер) в конкретное время и в конкретном месте. Прогноз погоды основан на непрерывном круглосуточном наблюдении за динамикой воз- душных атмосферных масс: их состоянием, взаимодействием, перемещени- ями и т.п. Наблюдения проводятся с помощью сети наземных метеостанций. 142
Глава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов радаров, самолетов, метеорологических спутников. Результаты наблюдений поступают в специальные метеоцентры, между которыми непрерывно осу- ществляется обмен информацией. Таким образом, имеется возможность следить за зарождением циклонов, их перемещениями и т.п. и заранее пре- дупреждать население тех или иных регионов о надвигающейся метеоро- логической опасности. Заблаговременный прогноз погоды в значительной степени снижает риск, связанный с неблагоприятным воздействием стихийных атмосферных явлений на жизнь человека и жизнедеятельность общества, но не может пол- ностью устранить его. В настоящее время предупреждения о приближении тропических циклонов, как правило, даются заблаговременно, однако за- щита от них остается весьма затруднительной. Так, в сентябре 1959 г. на- селение Японии было заранее предупреждено о приближении тайфуна «Вера». Принимались все возможные меры предосторожности, и тем не менее погибли 5 тыс. человек, были ранены 32 тыс., остались без крова 1,5 млн. Заблаговременные предупреждения не спасают от значительных матери- альных потерь. В этой связи с целью сведения риска к минимуму в разных странах разрабатывают различные способы активного воздействия на погоду. В настоящее время уже имеются технические возможности вызвать дождь или снег, рассеять туман, прервать образование града. Долгосрочные прогнозы различных атмосферных явлений, т.е. прогнозы, рассчитанные на достаточно длительные промежутки времени (100 лет и более), напрямую связаны с проблемой глобальных климатических изме- нений и загрязнения атмосферы Земли. Современная наука располагает данными о естественных колебаниях климата на протяжении геологической истории. Периоды таких колебаний составляют десятки и сотни лет. Ярко выраженные колебания климата осо- бенно четко были установлены в связи с совершенствованием метеороло- гических наблюдений в XIX и XX вв. Так, например, со второй половины XIX в. — начала XX в. климатологами отмечалось потепление, в частности в высокоширотных районах Земли. Для прогнозирования будущих естественных климатических изменений изучают их периодичность и исследуют цикличность геологических, астро- номических и космических факторов (тектонических процессов и связанных с ними изменений рельефа Земли и площади моря и суши, вулканических процессов, интенсивности солнечного излучения, наклона земной орбиты, солнечной активности и т.п.). В настоящее время все виды климатических прогнозов, особенно долго- срочных, в значительной степени усложнились в связи с активным техно- генным (антропогенным) воздействием на окружающую среду, в том числе и на процессы, происходящие в атмосфере. По данным Всемирной метео- 143
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем рологической организации, на климат Земли оказывают заметное влияние следующие виды деятельности и их результаты: выброс СО2 и других газов, поглощающих инфракрасное излучение; изменения в характере поверхности суши; военные действия; возросшее количество выбросов и рост концентраций аэрозолей в ат- мосфере; разрушение озонового слоя стратосферы; выбросы тепловых отходов; искусственное воздействие на погоду и климат. Таким образом, при составлении долгосрочных прогнозов атмосферных явлений приходится сталкиваться как с естественными, так и с социально- экономическими процессами. Их совместный учет, а тем более прогнози- рование представляют чрезвычайно сложную методологическую задачу, так как при таких прогнозах в значительной степени возрастает случайная со- ставляющая процессов. Требуется знать и предвидеть, каким образом быст- ро развивающееся общество со сложной, динамичной технологией произ- водства взаимодействует с непрерывно меняющейся природой. Поэтому большинство глобальных прогнозов — это прогнозы компонентные, учиты- вающие влияние какого-то одного компонента на изменение окружающей среды. Осуществляется прогноз глобального изменения климата (глобального потепления) в связи с возрастанием в атмосфере содержания СОг- Приз- навая этот факт, различные исследователи тем не менее расходятся в оцен- ках скорости и последствий этого процесса. Составляется прогноз глобальных изменений в связи с разрушением озонового слоя стратосферы, с засорением атмосферы твердыми частицами аэрозолей и т.п. В недавнее время много дискуссий вызвал ряд проектов, связанных с «преобразованием природы», т.е. с вмешательством человека в естественный ход природных процессов. Цель международного сотрудничества в области метеорологии — позна- ние закономерностей и установление единых мировых стандартов. Это со- трудничество осуществляется при помоши: системы автоматической передачи изображений (АПИ). Она более всего распространена в США. Работает в 50 странах. Особенно большая польза от применения АПИ для развивающихся стран. Стоимость прием- ных устройств АПИ составляет 6000 долл. Спутниковые фото представ- ляют интерес для многих стран и организаций: для летчиков гражданской авиации они полезны в плане штормовых предупреждений; для тропиче- ских стран они интересны в период тропических циклонов (например, для Индии, где 70% национального дохода приносят продукты сельского хозяйства); 144
fjaea 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов Всемирной метеорологической организации (ВМО). Она создана в 1853 г. при ООН. Собирает данные по наблюдениям на наземных метеостанциях, в верхних слоях атмосферы и об уровне радиации. ВМО издает указания по порядку сбора и записи метеоданных, издает Атлас облаков; Всемирной службы погоды (ВСП). Разрабатывает обшие представления о мировой погоде и методы ее предсказания. Идея о создании ВСП возни- кла в 1963 г. Основу ВСП составляют 3 глобальные системы: наблюдений, обработки данных и телесвязи. По проекту ВСП предусматривается созда- ние 3 категорий метеорологических центров: национальных, региональных и мировых. 4.3 Индивидуальные предвестники непогоды В практической деятельности часто возникают си- лиции, когда по тем или иным причинам отсутствует необходимая инфор- мация о ближайшем состоянии атмосферы. Чаше это касается малого мор- ского флота, альпинистов, авиапилотов и др. В таких случаях используют исторический опыт ориентирования по индивидуальным предвестникам погоды. Чаше всего состояние погоды анализируют относительно возник- новения циклонов, несущих, как правило, мошные ветровые, ливневые и грозовые воздействия. Под циклонической деятельностью понимают процессы возникновения, эволюции и перемещения циклонов и антициклонов в атмосфере. Наибо- лее интенсивно циклоническая деятельность развита в умеренных широ- тах. где ее можно рассматривать как форму обшей циркуляции атмосферы. Ежегодно севернее 25 с.ш. возникает в среднем около тысячи циклонов. Ежедневно на картах северной части можно обнаружить 15—20 циклонов. Основные элементы циклонической деятельности — фронтальные под- вижные циклоны и антициклоны. В процессе развития циклоны и антициклоны проходят ряд стадий, которые по-разному выглядят на картах термобарических образований и неодинаково сказываются на характере облачной системы. Наиболее пока- зательной характеристикой эволюции циклонов и антициклонов является изменение давления в их центрах. При анализе термобарического поля для прогноза образования фрон- тального циклона особое внимание уделяют участкам высокой фронтальной зоны, где структура термобарического поля обеспечивает значительное ло- 5<ки№ 1707 145
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем кальное увеличение во времени положительного вихря скорости. На карте определяют волновое возмущение и на нем — слабоградиентное барическое поле с отрицательными барическими градиентами. Существует основной признак возникновения циклона у точки окклюзии — это смешение облас- ти локального падения давления в район с небольшими барическими гради- ентами у поверхности Земли. Существует также ряд других признаков. К этим признакам относятся облачные предвестники циклона умеренных широт: 1) облачная шапка фронтальной волны; 2) шапка-щит перистой об- лачности; 3) шапка-веер перистой облачности; 4) массив развивающейся конвективной облачности; 5) вторичный облачный вихрь. При прогнозе перемещения оценивается возможность образования ци- клонов и антициклонов. В результате получают прогностические на 12, 24, 36 ч давления в центрах циклонов и антициклонов, а также в отдельных точках на осях ложбин и гребней и плюс в дополнительных точках. Для расчета ожидаемого значения давления за основу берут скорости воздуш- ных течений в средней тропосфере и барические тенденции на этом же уровне. Большинство фронтальных разделов лежат на осях хорошо выраженных ложбин. Поэтому на прогностической карте приземного давления, опреде- лив положение оси ложбины, можно получить положение приземной ли- нии фронта. Прогноз его перемещения сводится к прогнозу перемещения ложбин. Под эволюцией фронтов понимают процесс их обострения и раз- мывания, проявляющийся в изменении погодных характеристик. Для ана- лиза используют параметр фронтогенеза, который связан со сходимостью воздушных течений на фронте и распределением вертикальных движений, что определяет в значительной степени фронтальные облачные поля и зо- ны осадков. В краткосрочных прогнозах погоды общего пользования указывают усред- ненную скорость и направление ветра на уровне флюгера. При опасном ве- тре указывают, что он будет порывистым, и сообщают максимальную ско- рость при порывах ветра. Прогноз средних скоростей и направления ветра в суточном прогнозе погоды основан на результатах прогноза приземного барического поля. Действительный ветер на уровне флюгера по скорости обычно меньше градиентного ветра и отклоняется от направления изобар в сторону низкого давления: над морем — отклонение на 15е, над равни- ной — на 30°, а над холмистой местностью — на 45°. Кроме того, при боль- ших скоростях ветра отклонение меньше, чем при малых. Прогноз ветра на высотах разрабатывается с помощью прогностиче- ских карт абсолютной топографии, построенных по гидродинамическим методам заблаговременно. Прогноз шквалов. Они связаны с мощными кучево-дождевыми облаками, ливнями и грозами. Перед шквалом давление сильно падает, при шквале оно 146
Г шва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов резко растет в течение нескольких десятков минут, а после прекращения лив- невого дождя — вновь падает. Температура при шквале резко понижается. После шквала идет некоторый подъем, но все же она остается ниже, чем до шквала. Вследствие сильных восходящих движений воздуха в передней час- ти кучево-дождевого облака и нисходящих в его тыловой части возникает вихрь с горизонтальной осью, нижняя часть которого достигает поверхности Земли. Это шквальный ворот, обычно он идет впереди облака за 1—2 км до области выпадения ливневого дождя. Шквалы, как правило, случаются пос- ле обеда. Выделяют внутримассовые (единичные образования) и фронталь- ные (вдоль линии фронта) шквалы. Обычно их предсказывают по спутни- ковым фото на базе экстраполяции движения и свойств эволюции облач- ных образований. Наиболее благоприятной синоптической ситуацией воз- никновения являются холодные фронты, ориентированные с юго-запада или юга на северо-восток или север при наличии на них волновых возму- щений. Нередки также шквалы вблизи центра циклона, особенно вблизи вершины теплого сектора молодого циклона. Шквалы возникают при силь- ной сходимости воздушных течений у поверхности Земли и их расходимо- сти на высотах. Прогноз шквалов синоптическим способом сводится к прогнозу синоптического положения и термодинамического состояния атмосферы в районе. Для уточнения на 1—3 ч используют данные радио- локационных наблюдений, для 9—12 ч — расчетные методы с использо- ванием предикторов. Прогноз метелей основан на типизации синоптических процессов с учетом состояния снежного покрова. Прогноз общей метели связан с про- гнозом облачности, снегопада, ветра. Метелевая обстановка возникает обычно при прохождении атмосферных фронтов. Длительные затяжные метели возникают часто на теплых фронтах, короткие сильные метели — на холодных фронтах. Пыльные бури. В основе бури лежит турбулентность в приземном слое, когда при некотором критическом значении скорости ветра происходит отрыв почвы. Обычно это происходит при скорости ветра более 10—12 м/с. Лёссовая пыль поднимается и при меньших скоростях ветра. Наиболее сильные бури — при устойчивой температурной стратификации, когда пыль не распространяется на весь пограничный слой атмосферы и выше, а сосредоточивается до высот 200—300 м. Обычно это бывает периферийная часть мощного устойчивого антициклона над Азией в зимнее время года. Прогноз пыльной бури основан на анализе синоптического положе- ния, при этом особое внимание уделяется скорости перемещения фронта. При прогнозе ее эволюции дается прогноз скорости ветра и интенсивно- сти вертикальных движений в области фронта с учетом характера подсти- лающей поверхности. Учитывают наличие суточного и годового хода их повторяемости и интенсивности при различных синоптических процессах. 10; 147
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Установлено, что внутримассовые пыльные бури обычно возникают в зо- нах больших барических градиентов, называемых штормовыми, поскольку в их пределах наблюдаются сильные ветры. Прогноз заморозков. Чаше всего заморозки возникают в гребнях и ан- тициклонах, сформированных в арктическом воздухе, а также в тыловых частях циклонов. Основой прогноза является оценка температуры воздуха и его влагосодержания. Есть ряд эмпирических правил: если в 21 ч точка росы ниже 0°С, то ночью заморозки, при 2°С и тихой погоде — возмож- ны, при температуре более 2°С их не будет. Заморозки не возникают по- сле ливневого дождя во 2-й половине дня, выпавшего на прогретую поч- ву. Случаи сильных морозов связаны в средних широтах с вторжением масс очень холодного воздуха из арктических районов. В Сибири сильные морозы часто бывают вызваны длительной безоблачной антициклониче- ской погодой. Прогноз туманов и видимости. Туманы бывают фронтальные (от термо- процессов в области фронтальных разделов) и внутримассовые. и еще по- земные, а также низкие и высокие; слабые, умеренные, сильные и очень сильные. Возникают при приближении влажности воздуха к состоянию на- сыщения. Это происходит на фоне понижения температуры до уровня кон- денсации. Прогноз осуществляется по оценке прогностического синоптиче- ского положения. Фронтальные туманы возникают при малых углах наклона фронтальной поверхности перед теплым фронтом или теплым фронтом окк- люзии. Учитывают облачность, ветер. Как предсказать облачность. На картах погоды видны облачные масси- вы. Можно рассчитать скорость их перемещения. Также возникновение об- лаков и их рассеивание можно определить, следя за развитием циклонов и антициклонов. Облака обычно располагаются на значительном удалении от центра циклона и на периферии антициклона. Как предсказать шторм на море. Штормы на море вызываются цикло- нами, в которых есть обширные зоны ненастной погоды с сильным ветром и связанным с ним волнением моря. Как предсказать смерч. Можно лишь определить наличие условий, бла- гоприятных для образования смерча. Это сильно развитые по вертикали кучево-дождевые облака. Такое облако должно иметь вертикальные и го- ризонтальные размеры не менее 10 км. Однако не каждое такое облако по- рождает смерч. Эти облака дают ливни, грозовые разряды, град, дождь со снегом и лишь некоторые могут вызвать смерч. Народные приметы. Однако, невзирая на службу погоды, население, как правило, пользуется для прогноза приметами погоды. Они основаны на долголетнем опыте наблюдений. Люди, долго живущие в определенном районе, способны предчувствовать. Существует несколько групп примет: внешний вид неба; поведение животных; состояние погоды в дни, посвя- 148
Гюва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов шенные святым. Считается, что некоторые явления обладают якобы сверхъ- естественной силой (так. в штате Пенсильвания существует поверье: если на Сретение, т.е. 2 февраля, сурок увидит свою тень, то зима здесь будет про- должаться еще 6 недель). Следует отметить, что птицы реагируют на изме- нение давления перед штормом, смена окраски меха у грызунов происходит перед новым сезоном (кролики, зайцы, ласки и др.). У моряков существует поверье: небо красное с утра — моряку не ждать добра, если дело к вече- ру. то бояться нечего (облака на западе, подсвечиваемые солнцем, пред- вестники шторма). Когтевидные (тонкие перистые) облака предвещают осадки, но облака не всегда предшествуют циклону. Самые общие призна- ки опубликованы в календарях погоды, но они представляют собой сред- нестатистические данные прошлых периодов времени с учетом поведения животных. Поэтому и прогноз по ним приблизителен. 4.4 Мониторинг и математическое моделирование как основа повышения эффективности прогноза опасных природных процессов. Основные задачи геоэкологических исследований для России Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено в употребление Р. Мэнном в 1972 г. на стокгольмской конфе- ренции ООН. Мониторингом было предложено называть систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в про- странстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. В нашей стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабаты- вать Ю.А. Израэль (1984 г.), который определил мониторинг как систему на- блюдений, позволяющую выделить изменения биосферы под влиянием чело- веческой деятельности. В настоящее время этот термин широко используется для обозначения длительно проводимых наблюдений за изменением природных и природ- 149
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем но-техногенных процессов, влияющих на состояние природных и природ- но-техногенных систем. Таким образом, мониторинг представляет собой систему сбора, обра- ботки и хранения информации, необходимой для решения определенных задач. Одной из таких задач, которую можно отнести к категории главных, является выявление тенденций изменения состояния окружающей среды, отдельных ее компонентов, природных и природно-техногенных систем и объектов, находящихся под влиянием природных или техногенных процес- сов. Затем следует составление долгосрочных и краткосрочных прогнозов. Эти данные используются для принятия управленческих решений, цель которых — предотвращение или снижение до минимума ущерба от негатив- ных проявлений природных и техногенных процессов. Задачи, для решения которых осуществляется мониторинг, определяют уровень, степень сложности, а также межгосударственную, государственную или ведомственную принадлежность организуемой системы наблюдений. Наиболее сложным является мониторинг окружающей среды. Типы мониторинга. Различают мониторинг глобальный, государствен- ный, региональный, локальный и детальный. Каждый из этих уровней, на- чиная с детального, предполагает организацию собственной системы наблю- дений, сбора, обработки и передачи информации (мониторинга), которая в качестве подсистемы входит в систему более высокого уровня. Общий мониторинг — это система контроля, охватывающая всю исследу- емую территорию со всеми находящимися в ее пределах объектами. Прово- дятся наблюдения за возможно большим числом параметров. Специальный мониторинг — изучение характера изменений сравнитель- но небольшого числа параметров или факторов на ограниченных участках либо на отдельных объектах, а также наблюдение за изменениями некото- рых компонентов окружающей среды. Структура мониторинга индивидуальна, подлежит разработке в каждом конкретном случае и пока не поддается жесткой регламентации, за исклю- чением отдельных моментов. Создание мониторинга — это творческая раз- работка. В общем виде для осуществления мониторинга должна быть со- ставлена схема организации геолого-геофизического мониторинга, иногда называемая «рисунок». Для этого необходимы следующие мероприятия: организовать сеть наблюдательных станций; разработать временной режим проведения измерений параметров; создать центр обработки и хранения информации. Такая схема позволяет осуществлять мониторинг на всех уровнях — от отдельного объекта до территории государства в целом и имеет выход в си- стему международного глобального мониторинга. Классификацию систем мониторинга разных типов составляли многие ученые (Ю.А. Израэль, В.Д. Минченко). На кафедре инженерной геологии МГУ предложена следующая классификация. 150
Гiaea 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов Литомониторинг. В 80-е годы введен термин «литомониторинг», который в отличие от мониторинга окружающей среды характеризуется более узко он рассматривает в качестве объекта мониторинга только литосферу (точнее, ее верхние горизонты). По Г.К. Бондарику, литомониторинг — это система оценки состояния приповерхностной области литосферы, взаимодействующей с орудиями и продуктами труда, и прогноза ее функционирования. Таким образом, это подсистема мониторинга среды обитания человека, включающей техно- сферу. Литомониторинг и мониторинг геологической среды нетождественны, так как нетождественны понятия «литосфера» и «геологическая среда». Мониторингом геологической среды называется система постоянных на- блюдений, оценки, прогноза и управления геологической средой или какой- зибо ее частью, проводимая по заранее намеченной программе с целью обеспечения оптимального функционирования рассматриваемой природно- технической системы. Виды эколого-геологического мониторинга Комплексный мониторинг. Наблюдения ведутся за системами, включа- ющими все элементы верхних горизонтов литосферы. Частные виды мониторинга: атмосферы; гидросферы биосферы литосферы техносферы и др. Главной целью мониторинга литосферы является установление тенден- ций развития и изменения верхних горизонтов литосферы с учетом их эко- логических последствий для человека и других организмов в пределах кон- кретной эколого-геологической системы. На основе этих данных принимают рекомендации и управляющие решения по последующим аспектам: 1) оптимизация функционирования эколого-геологической системы; 2) обеспечение экологически благоприятных условий ее существования: 3) устойчивость развития. Основу организационной структуры эколого-геологического монито- ринга составляет так называемая автоматизированная информационная система (АИС), которая создается на базе ЭВМ Математическое моделирование. Математика давно получила признание в качестве инструмента изучения явлений и процессов реального мира. 151
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем Расширение области использования математики при анализе природных объектов, ее применение в новых областях связаны с понятием «модель». Моделирование — это метод исследования практически любого науч- ного направления. Требования к созданию корректных моделей являются общими. Отличительной особенностью геоэкологического моделирования является невозможность получения окончательного, удовлетворяющего все стороны решения. Модель обычно не описывает явление во всей его полноте, она отража- ет тот особый, специфический ракурс, в котором мы хотим рассмотреть ис- следуемую систему. Модель подчеркивает отдельные, представляющие инте- рес для исследователя черты системы и намеренно затушевывает, упрощает или даже искажает остальные ее свойства. Реальное явление всегда сложнее модели. Построение математической модели является основой основ, централь- ным этапом исследования. От качества модели зависит судьба всего дальней- шего анализа. Конструирование модели — дело деликатное. Однако от исследователя обязательно требуется глубокое знание моделируемого объекта (процесса), его поведения в различных ситуациях, а также владение математическими методами. Представление о процессе обычно формируется на базе наблюдений. Однако только экспериментального материала, как бы хорош он ни был, не- достаточно. Нужно некоторое обобщение, т.е. обобщенный взгляд на мате- риал, результатом чего и станет определенная концепция. В геологии кон- цепции, как правило, формируются в виде теоретических гипотез. Многие из них родились как догадки, которые лишь позже были подтверждены ма- териалом наблюдений. Построение математической модели всегда опирается на систему гипо- тез, отражающих понимание исследователем изучаемого объекта. При мате- матическом моделировании геологические объекты удобно рассматривать как некие системы (например, горная порода — это система минеральных образований). Под геоэкологическим моделированием понимается создание моделей состояния той или иной территории, возникающей при реальных или воз- можных изменениях геологического компонента природной среды в процес- се взаимодействия последнего с источниками воздействия, как природными, так и техногенными. Создание подобных моделей предполагает поэтапное их формирование — от мысленных моделей к физическим, знаковым (кар- тографическим) и математическим. В процессе моделирования решаются следующие группы задач: создание моделей состояния эколого-геологической ситуации той или иной территории; 152
Глава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов построение моделей эколого-геологического прогноза; разработка и выбор модели устойчиво развивающейся эколого-геоло- гической системы территории; корректировка постоянно действующей модели устойчиво развиваю- щейся эколого-геологической системы. В процессе исследований выделяют цепочки причинно-следственных связей. Примерами могут служить прогнозные модели изменения экологи- ческих функций литосферы в связи с загрязнением грунтов, подземных вод. подтоплением территории, экзогенными процессами и т.п. Математические модели создаются на основе обобщения пакета частных моделей в единую прогностическую систему. Построение и функционирова- ние подобных моделей предполагает использование быстродействующих ЭВМ. В реальной ситуации возможно наличие большого числа случайных факторов. Поэтому приоритет в моделировании следует отдать методам веро- ятностного моделирования, с помощью которого можно имитировать слож- ные процессы, протекающие внутри системы и, как правило, не поддающи- еся аналитическому решению. Создание модели — процесс непрерывный, но в нем условно можно выделить 3 этапа: 1) определение режима использования территории; 2) описание словесного портрета модели, выявление основных параме- тров среды; 3) объединение результатов исследования природной среды, техносфе- ры, биосферы, т.е. построение модели оптимальной устойчиво развиваю- щейся системы. Основные задачи геоэкологических исследо- ваний для России Экология (с греч. «экое» — дом, «логос» — наука) — наука о доме, о месте жительства. Дом этот очень большой — вся Земля. Термин «экология» ввел естествоиспытатель XIX в. Эрнст Геккель. С тех пор изучается взаимосвязь живых существ с окружающим их миром. Удалось открыть, а потом и четко сформулировать многие экологические принци- пы, закономерности. Это очень важно, потому что. зная правила и законы природы, можно их использовать на благо человека. Человек плохо приспособлен к окружающим его условиям. Он может су Шествовать в очень узких климатических рамках: ниже 15 — мерзнет, выше 35° — страдает от жары, не способен более 5 дней обходиться без воды, не об- ладает развитой мускулатурой. Скорость передвижения в среднем не превы- шает 10—15 км/ч. Он полностью беззащитен: для обороны или нападения 153
Разде! I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем нет ни острых клыков, ни когтей, ни защитного панциря, тонкая кожа не спасает от капризов природы. Органы чувств развиты очень слабо: узкий угол зрения, в темноте видит плохо, обоняние и слух намного слабее, чем у других млекопитающих. Трудно представить, что такой вид смог не толь- ко выжить в суровых условиях, но и достичь высокой численности, рас- пространиться на значительные территории, приспособить «под себя» эту планету. В течение долгих тысячелетий человек вел себя как обычный хищник, его добычу составляли в основном больные, ослабленные животные. Не об- ладая особой силой, скоростью передвижения, он не мог нанести особый ущерб стадам животных. К тому же мозг наших далеких предков был не на- столько развит, чтобы разработать хитроумный план охоты. Однако примерно 15 тыс. лет назад ситуация изменилась. К эпохе верх- него палеолита люди уже использовали различные орудия охоты, научились делать ловчие ямы. В течение одной охоты он мог истребить целое стадо. Так человек стал самым могущественным хищником на Земле. Численность промысловых животных сократилась. Человек вынужден был перейти от охоты к земледелию и скотоводству. Сельскохозяйственные угодья покрывают сейчас 37% суши (11% — по- ля, 26% — пастбища), в России — 14% суши (8% — пашни). Сведение лесов приводит к изменению экосистем. Продуктивность растительного покрова биосферы снизилась на 15—20%. К каким последствиям для природы и человека это может привести, пока точно не известно. Однако главная опасность очевидна: снижение проду- ктивности биосферы приводит к уменьшению ее устойчивости, т.е. способ- ности поддерживать свое состояние долгое время, несмотря на различные внешние воздействия. Вся биосфера в течение миллионов лет жила за счет энергии Солнца. Человечество стало третьим по величине источником энергии на нашей пла- нете. Люди вырабатывают 0,02% той энергии, которая приходит к Земле с солнечными лучами, это лишь немного меньше, чем поступает из глубин Земли. Казалось бы. 0.02% — это очень мало. Но в экологии существует «правило 1%»: изменение энергетики экосистемы более чем на 1% выводит ее из равновесия. Все мощнейшие геологические и климатические явления на Земле — извержения вулканов, тайфуны, циклоны — имеют суммарную энергию не более 1% энергии солнечного излучения, поступающего на поверхность пла- неты. Поэтому энергетический вклад человечества не так уж и мал. Промышленность сама по себе не является ни плохой, ни хорошей для экологии Земли — все зависит от того, как люди пользуются ее могущест- вом. Человечество превратилось, по словам академика В.И. Вернадского, в новую геологическую силу', способную «перестраивать своим трудом и мыс- 154
Гiaea 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов лью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше». В то же время развитие промышленности создало колоссальные экологические проблемы, которые могут привести к кризису современной цивилизации. С середины XX в. стали происходить необратимые, подчас катастрофи- ческие, изменения геологической среды. Человек изымает из недр Земли в гигантских масштабах полезные ископаемые, прежде всего нефть, уголь, газ, горючие сланцы, торф, а также привносит в геологическую среду продукты их переработки. Например, количество только механически извлекаемого материала при добыче полезных ископаемых и строительстве превышает 100 млрд, т в год, что примерно в 4 раза больше массы материала, сносимого в океаны речны- ми водами в процессе денудации — разрушения и удаления пород суши. Ежегодный объем наносов, перемещаемых всеми текучими водами на зем- ной поверхности, составляет не более 13 км3, это в 30 раз меньше, чем пе- ремещается горных пород при всех видах строительства и добычи полезных ископаемых. Таким образом, техногенная деятельность по своим масштабам и интен- сивности не только стала соизмеримой с некоторыми природными геологи- ческими процессами, но и существенно их превосходит. Не менее важной проблемой стала концентрация вблизи поверхности Земли веществ и химических элементов, ранее находившихся в рассеянном состоянии. Наиболее экологически опасно поступление в геологическую среду техногенных радионуклидов в виде отходов атомной промышленно- сти или в результате выбросов, аварий, ядерных взрывов, захоронений ра- диоактивных веществ. Масштабы воздействия человека на геологическую среду особенно ощу- тимы в районах горнодобывающих предприятий, крупных карьеров и т.п. Здесь на значительных площадях происходит нарушение земель, из недр из- влекаются и перемешаются гигантские объемы горных пород. Это вызывает необратимые изменения в геологической среде: меняются напряженное со- стояние массивов горных пород, их термический режим, гидрогеологиче- ские условия и т.п. Экологическая служба в нашей стране зародилась только в 1990 г. До это- го понятия «экология» в Советском Союзе как бы не существовало. В 90-х го- дах произошел всплеск экологического сознания общества. Экологическая обстановка в России плохая, а местами даже катастрофическая. Хотя Рос- сия — это единственная страна, которая сохранила самый большой массив ес- тественных экосистем. Площадь России — 18 млн км2, из них 11 млн км2 — естественная экосистема, которая способна себя восстанавливать, где природа еще живет по своим высшим законам, давая жить человеку. Наш запас све- жего чистого воздуха использует вся планета. Использование природных ре- 155
Разде/ I. Принципы зво.иоции и взаимодействия с южных систем сурсов должно осуществляться на благо страны. Очень важно не наносить ей смертельных ран. Все экологические процессы очень инерционны. Сейчас 14—15% тер- ритории России — зона экологического неблагополучия. Здесь проживает около 50 млн человек. После 1996 г. в России сильно упала продолжитель- ность жизни (сейчас она составляет около 60 лет для мужчин). Идет заметное сокращение численности населения России. В этих процессах доля экологи- ческих причин не меньше 30—40%, а может быть, и 50—60%. По экологиче- ским причинам преждевременно умирает 240—320 тыс. россиян, еще сотни тысяч заболевают. Дешевле и эффективнее предупредить возникновение эко- логических проблем, чем потом их преодолевать. 19 декабря 1991 г. был принят базовый экологический закон России — «Об охране окружающей природной среды». Этот закон определяет прин- ципы охраны окружающей среды. Он устанавливает: права граждан в сфере охраны окружающей среды; основные правовые институты охраны природы; особо охраняемые природные территории; зоны чрезвычайной экологической обстановки; требования к различным видам деятельности; основы экологического контроля и образования; виды экологических правонарушений и ответственности за них. В течение нескольких лет аналитики МЧС составляют прогнозы чрез- вычайных ситуаций. По своей сути это прогнозы экологического характе- ра, которые остро ставят проблемы взаимоотношения человека с окружаю- щей средой, в том числе с агрессивной средой, созданной самими людьми. Данные прогнозы ставят сугубо практические цели — дать информацию о потенциальных природных и техногенных рисках, привлечь внимание к все- возможным узким местам, которые имеются в стране. Есть категория чрезвы- чайных ситуаций, главным образом связанных с природными катаклизмами и стихийными бедствиями (землетрясения, наводнения и т.д.), предотвращать которые людям пока не по силам. Но и тут можно минимизировать послед- ствия, если заблаговременно готовить соответствующие финансовые и мате- риальные ресурсы, организовать работу с населением. А техногенные аварии и катастрофы, причиной которых, как правило, является не злой рок, а чело- век, человеческий фактор, работники МЧС просто обязаны предвидеть и предотвращать. Все, кто работает в МЧС, просто не имеют права ограничивать свою ра- боту только организацией работ по ликвидации последствий тех или иных ЧП. Нужна и профилактическая работа. Составление и публикация годовых прогнозов — это как раз один из элементов такой работы. Методики прогнозирования чрезвычайных ситуаций только нарабатыва- ются. Сегодня эти прогнозы аналитики МЧС строят на основе анализа ста- 156
Гiaea 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов тистических данных последних лет и мониторинга происходящих в России природных и техногенных процессов. Многое предсказывается довольно точно. В России довольно сложная социально-экономическая обстановка, ко- торая приводит к свертыванию некоторых мероприятий, направленных на предотвращение опасных природных явлений, к возрастанию техногенных опасностей, вызванных износом оборудования на предприятиях, и др. Нуж- на государственная политика, основанная на экономических механизмах стимулирования мероприятий, направленных на обеспечение безопасно- сти населения и территорий. В число приоритетов государственной поли- тики не на словах, а на деле должна войти природоохранная деятель- ность. В последнее время все чаще сталкиваемся с фактами, когда непо- средственными причинами чрезвычайных ситуаций становится не что иное, как увеличение антропогенного воздействия на окружающую при- родную среду. Россия — одно из крупнейших золотодобывающих государств мира, по- этому состояние рек, на которых велась и ведется добыча золота (Амур. Се- ленга, Ангара, Енисей, Обь, Колыма), тревожит экологов, так как в произ- водстве золота используются цианиды. Один выброс, одна оплошность — и целая река Тисса на 10 лет оказалась загубленной. Погибли микроорганиз- мы, планктон, рыба и др. Экологическая катастрофа случилась и на Северном Кавказе. Там в те- чение многих лет нарушались канализационные сети, в аварийном режиме эксплуатировались технологические системы. Разливы нефти произошли из-за наличия дыр в нефтепроводах, которые в свою очередь стали резуль- затом деятельности воровских заводов. Если будет порядок в стране — ката- строф станет меньше. Ведь все катастрофы в той или иной степени — резуль- тат безалаберности конкретных людей. Устойчивое развитие страны подразумевает сбалансированность трех важнейших элементов: социального благополучия; экономического развития; высокого качества окружающей среды. В России по каждому из этих элементов сушествуез много проблем. Однако можно выделить приоритетные направления: создание сильного и богатого государства, благоденствие людей — гра- ждан этого государства; активная экологическая политика — как государства, так и населения; перестройка структуры экономики страны. Человек — первый обитатель Земли, который реально угрожает прак- тически всем своим соседям по планете и даже самому существованию по- родившей его биосферы. Развитие человечества сопровождалось разруше- 157
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем нием среды обитания организмов. Полностью уничтожены многие виды животного и растительного мира, исчезающие виды занесены в Красную книгу. К концу XX в. тропические леса потеряли 15—20% флоры и фауны. Когда-то лесами была занята большая часть суши планеты. Сейчас — около 1/3 планеты. На остальной части суши они уничтожены в резуль- тате развития сельского хозяйства, промышленности, пожаров, обогрева и т.п. Сокращение лесных площадей и их деградация — одна из глобальных проблем экологии (причины: опустынивание, эрозия почв, усиление пар- никового эффекта). Основная задача геоэкологии — изучение и оценка изменения геологи- ческой среды в результате хозяйственной деятельности человека, в том числе ее техногенного загрязнения. При этом учитывается загрязнение других компонентов природной среды (атмосферы, растительности, почв, воды) и возможное его влияние на здоровье людей и животный мир. Таким образом, предметом геоэкологии являются знания не только о состоянии геологической среды и всех ее компонентов в отдельности, но и о происходящих в них процессах, активизация которых может приво- дить к нежелательным последствиям в других сферах, прежде всего в био- сфере. Основные эколого-геологические задачи /. Ресурсная задача Она включает следующие задачи: 1) оценка структур и типов строения литосферы с учетом ее ресурсной эколого-геологической функции; 2) оцен- ка минеральных ресурсов и экологических последствий их освоения и экс- плуатации; 3) повышение эффективности использования природных ре- сурсов с учетом их экологической значимости; 4) оценка и сохранение ре- сурсов подземных вод питьевого и технического назначения с учетом из экологического значения: 5) оценка состояния и динамики изменения гид- родинамической и балансовой структуры подземных вод с экологических позиций; 6) обоснование управления состоянием и свойствами массивов техногенных и природных горных порол с целью сохранения или улучше- ния их экологических свойств; 7) разработка экологически обоснованных рецептур и технологий утилизации твердых и жидких продуктов техногене- за, промышленных и бытовых отходов. II. Геодинамическая задача Эта задача направлена на: 1) изучение изменения литосферы под влия- нием природных и антропогенных геологических процессов с учетом их не- 158
Глава 4 Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов гативного воздействия на биоту; 2) целевое оценочное районирование лито- сферы для прогноза развития негативных процессов и оценки комфортности проживания населения; 3) оценку устойчивости территории к техногенным воздействиям, отрицательно влияющим на экологическое состояние террито- рии; 4) эколого-геологическое обоснование инженерной зашиты территорий, объектов, сооружений и населения от негативных экологических последст- вий, вызванных техногенезом; 5) эколого-геологическое обоснование инже- нерной защиты территорий от опасных (катастрофических) геологических процессов. III. Геофизико-геохимическая задача Эта задача предполагает изучение: I) геопатогенных природных и техно- генных геохимических аномалий и аномалий геофизических полей, негатив- но воздействующих на биоту; 2) закономерностей техногенной миграции хи- мических элементов, ухудшающих экологическое состояние компонентов литосферы; 3) изменения химии горных пород под влиянием техногенеза с учетом сохранения или изменения их экологических свойств; 4) эколого- геохимического воздействия на литосферу различных видов технической деятельности человека; 5) эколого-геологического обоснования захороне- ния токсичных и радиоактивных отходов (изоляция в литосфере и подзем- ной гидросфере); 6) рецептур и технологии обезвреживания и изъятия из природных кругооборотов токсичных и радиоактивных элементов и со- единений путем осаждения и изомерных замещений, накопления и нейт- рализации на геохимических барьерах, разбавления для улучшения или сохранения экологического состояния территории; 7) оценки состояния и динамики изменения химического состава (качества) подземных вод с эколого-геологических позиций; 8) оценки защищенности подземных вод от техногенного загрязнения с учетом сохранения ими своих экологиче- ских свойств. Выводы Установление биологической комфортности терри- тории в зависимости от экологических функций литосферы требует комп- лексного изучения геолого-географической обстановки. Эколого-геологические исследования должны проводиться целенапра- вленно и быть ориентированы на конечную цель — анализ влияния лито- сферы, ее экологических функций на формирование и изменение условий существования биоты. Роль разных наук геологического цикла в эколого-геологических ис- следованиях неодинакова и зависит от характера рассматриваемой задачи. 159
Разде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем Выполнение эколого-геологических исследований должно проводить- ся в рамках единого научного направления, ответственного за оценку эко- логических функций литосферы. Обеспечение устойчивого функционирования и дальнейшего развития производительных сил России и сопредельных территорий, а также безо- пасных условий для проживания населения невозможно без разработки и внедрения эффективной системы предупреждения ЧС, вызванных опасны- ми природными процессами. Создание такой системы — комплексная про- блема, включающая решение многих организационных и научных задач. Среди них наиболее важными являются выявление районов активизации тех или иных процессов, факторов их развития и параметров проявления, оцен- ка возможных последствий и особенно разработка мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций, связанных с опасными процессами. Рассмотрим экологически неблагополучные регионы России. Мурманская область. Выбросы предприятий цветной металлургии, горнодобывающая про- мышленность. машиностроение, отходы военных баз и др. Бытовые стоки содержат тяжелые металлы (никель, фтор). В подзем- ных водоносных горизонтах в районе комбината «Печенганикель» содер- жание загрязняющих веществ превышает ПДК в 24- -25 раз. Центральная Россия. Высокая плотность населения (до 100 чел./км2). Естественные ландшафты сохранились только в заповедниках. В результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. пострадали Брянская, Орловская, Калужская, Тульская области и Поволжье. В Брянской области 24 района загрязнены радионуклидами. Москва и Московская область. Много экологически опасных произ- водств. Всего на территории области расположено 3,5 тыс. предприятий (из них более 2 тыс. — в Москве). Столица — чемпион по загрязнению воды (более 100 наименований загрязняющих веществ). Основной виновник — автотранспорт (90% выбросов в городе). Попавшие в воздух тяжелые ме- таллы оседают в радиусе 80—100 км. Почвы особенно сильно загрязнены кадмием: например, на территории музея-усадьбы «Горки Ленинские» его концентрация превышает в 70—100 раз природное значение. Центрально-Черноземный район России. Более 70% территории распахано. Загрязнение почв пестицидами. Канализационные стоки. Промышленность: Лебединский горно-обогатительный. Старооскольский металлургический. Михайловский горно-обогатительный. Курская ТЭЦ, Новолипецкий метал- лургический. К экологически неблагополучным регионам относятся также Среднее Поволжье и Прикамье, Калмыкия, низовья Волги и Северный Прикаспий, Краснодарский край. Уральский район, северо-запад Сибири, Кузбасс, Нориль- ский промышленный центр, юг Восточной Сибири. 160
Глава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. К какому виду предсказаний относятся народные приметы? 2. Каковы объективные причины недостоверности прогнозов? 3. В чем сложность долгосрочных прогнозов? 4. Опишите принципы составления карт погоды 5. В чем специфика индивидуальных предвестников погоды для пыль- ных бурь, метелей, шторма? 6 Что следует понимать под мониторингом? 7. Какова роль математического моделирования применительно к мо- ниторингу? 8. Каковы основные задачи геоэкологических исследований для России? Рекомендуемая литература 1. Вайсберг Дж. Погода на Земле. Метеорология. М.: Гидрометеоиздат, 1980. 2. Васильев А. А., Шметгер С.М. Влияние кучево-дождевых облаков на условия полетов. М.: Гидрометеоиздат, 1984. 3. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционно- го зондирования Земли. М.: АИБ, 1997. 4. Добрышмая Е. М. Некоторые статистические характеристики и осо- бенности тайфунов // Метеорология и гидрология. 1994. № И. С. 83—99. 5. Долгосрочное и среднесрочное прогнозирование погоды. Проблемы и перспективы / Под ред. Д. Бариджа и Э. Челлена. М.: Мир, 1987. 6. Дымников В.П., Филатов А.Н. Устойчивость крупномасштабных ат- мосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 7. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. 1984. 8. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. Л.: Знание, 1969. 9. Погосян Х.П. Атмосфера, погода, климат. Изучение циклонов вне- тропических широт // Сер.: Знание. Науки о Земле. 1983. № 3. 11. Ззказ № 1707 161
Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем 10. Чучкалов Б.С. Оперативный контроль обшей циркуляции атмосфе- ры. Сборник. К 60-летию Центра гидрометеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 135—147. 11. Шакина Н.П. Динамика атмосферных фронтов и циклонов. Л.: Ги- дрометеоиздат, 1985. 12. Экзарьян В.Н. Геоэкология и охрана окружающей среды. М.: Эко- логия, 1997. 13. Юдин М.И. Новые методы и проблемы краткосрочного прогноза погоды. М., 1993.
Раздел II Опасные природные ПРОЦЕССЫ
5 глава КЛАССИФИКАЦИЯ ОПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ Взаимодействие сложных систем является основным источником ОПП. Спектр взаимодействий достаточно разнообразен, что создает множество различных по генезису, длительности, интенсивности и масштабности различных экстре- мальных явлений. Понимание механизмов зарождения и развития экстремальных явлений в ОПП является основой эффективного прогноза и смягчения последст- вий их проявления. Первым шагом на пути такого понимания обычно является си- стематизация опасных природных явлений. 5.1 Типология ПОНЯТИЙ Широкомасштабное проявление процесса принято называть стихийным явлением. Стихия в древнегреческой философии означает каждый из 4 элементов природы (земля, вода, огонь, воздух), лежащих в основе всех вещей, т.е. это пер- воначало. Это полностью соответствует современно- му' пониманию 4 состояний материи: твердое, жид- кое. газообразное и плазменное. Стихийное явление природы — явление, не зави- сящее от человека, выходящее за рамки повседнев- ных и средних состояний природы по интенсивно- сти, продолжительности и масштабу проявления, но позволяющее без затруднения адаптироваться к нему всем природным и социальным системам. Напри- мер, северное сияние, красивый закат, «слепой» дождь и т.д.
Г шва 5. Классификация опасных природных процессов Любое стихийное явление может быть охарактеризовано различными параметрами: масштабом проявления, длительностью, скоростью развития, энергией и т.д. Нормой воздействия следует считать такое состояние, при котором не возникает дискомфорта, т.е. при нормальных стихийных явлениях. В пси- хологическом плане воздействие таких процессов для большинства населе- ния остается незамеченным, а отдельные травмы будут восприниматься как трагический эпизод. Появление дискомфорта создает угрозу поражения систем, т.е. возни- кает опасность, риск. Например, чувство тревоги, повышение кровяного давления при длительном воздействии могут привести к паталогии. В край- них случаях в системе возможны потери, но незначительные. Опасность — негативное свойство живой и неживой материи, способ- ное причинить ущерб как самой материи, так и людям, природной среде, материальным ценностям. Стихийное бедствие — экстремальное, стихийное явление, не завися- щее от влияния человека, обладающее большой интенсивностью и, как следствие, поражающими факторами. Поражающие факторы наносят не- обратимый существенный ущерб социальным и природным системам в ch- г. их неспособности успеть адаптироваться. Экстремальным считается лю- бое событие в природной системе, приобретающее сравнительно большое отклонение от среднего состояния или значения. К стихийным бедствиям относятся землетрясения, извержения вулка- нов, сели, оползни, обвалы, наводнения, засухи, циклоны, ураганы, смерчи, снежные заносы и лавины, длительные проливные дожди, сильные устойчи- вые морозы, обширные лесные и торфяные пожары. К числу стихийных эедствий относят также эпидемии, эпизоотии, эпифитотии, массовое рас- пространение вредителей лесного и сельского хозяйства. Причины стихийных бедствий: быстрое перемещение вещества (землетрясения, оползни); высвобождение внутриземной энергии (вулканическая деятельность, зсмэетрясения, цунами); повышение уровня вод рек, озер и морей (наводнения, цунами); воздействие необычайно сильного ветра (ураганы, торнадо, циклоны): ударно-взрывное воздействие (метеориды, астероиды, кометы); резкие перепады давления, температуры или их устойчивое экстремаль- ное значение; биовоздействия; химические воздействия. Некоторые стихийные бедствия (пожары, обвалы, оползни) могут воз- никать в результате деятельности человека, но чаще первопричиной сти- хийных бедствий служат силы природы. Катастрофа — на математическом языке это необратимая потеря устой- чивости; на языке систем это существенное поражение системы поражаю- 165
Раздел II. Опасные природные процессы щими факторами, либо ведущее к быстрой гибели системы, либо делающее ее неконкурентоспособной в борьбе за сосуществование и обусловливающее медленную гибель системы. Чрезвычайная ситуация. Возникновение любой чрезвычайной ситуации вызывается сочетанием действий объективных и субъективных факторов. В Законе РФ «О защите населения и территорий от чрезвычайных си- туаций природного и техногенного характера» дается следующее определе- ние: «ЧС — это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой чело- веческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной сре- де, значительные материальные потери и нарушения условий жизнедея- тельности людей». Поражающий фактор — это любое экстремальное воздействие на сис- тему извне, приводящее к поражению функциональной среды системы или ее целостности. Поражение наносит ущерб системе. Он может быть суще- ственным, если система не в состоянии самостоятельно восстановиться, и тогда она рано или поздно обречена на гибель, или несущественным, если система сама восстанавливается в новых условиях. При существенном по- ражении возможно восстановление при внешней помощи (например, ме- дицинская помощь и др.). Основные поражающие факторы ЧС: 1) механические (динамические) — взрывная волна, метательное действие, вторичные снаряды; 2) придавливание разрушенными конструкциями зданий, шахт; 3) обвалы; 4) оползни; 5) урага- ны; 6) смерчи; 7) наводнения; 8) химические воздействия (ядовитые вещест- ва: аммиак, хлор, пропан, кислоты, щелочи и другие сильно действующие ядовитые продукты, попадающие в атмосферу, воду, продукты питания и воздействующие на человека через органы дыхания, кожные покровы, же- лудочно-кишечный тракт); 9) физические (экстремальные давление, тем- пературные условия, радиация); 10) биологические и др. 5.2 Современные классификации опасных природных процессов Стихийные явления подчиняются по меньшей мере трем закономерностям: 1) для каждого вида может быть установлена специфическая приуро- ченность; 2) существует определенная закономерность в повторяемости: чем боль- ше интенсивность, тем реже случается, и наоборот; 166
Г шва 5. Классификация опасных природных процессов 3) может быть установлена зависимость разрушительного эффекта сти- хийного бедствия от масштабности, продолжительности и интенсивности природных процессов. Опасные явления могут быть классифицированы следующим образом: по генезису (происхождению), по площади проявления (контуру влияния), по масштабу проявления, по продолжительности, по характеру воздейст- вия, по тяжести последствий и др. А. Классификация ОПП по генезису (происхождению) 1. Космогенные ОПП: • гелиомагнитные (корпускулярные и электромагнитные); • вещественные и импактные (метеорные потоки, ударное, ударно- взрывное и взрывное кратерирование); • гравитационные. 2. Космогенно-климатические ОПП: • климатические циклы; • длительные колебания уровня Мирового океана (тектонические и гляциоизостатические); • кратковременные колебания уровня океана и явление Эль-Ниньо; • современное потепление климата; • проблема озоновых дыр. 3. Атмосферные ОПП. Метеогенные воздействия: • атмосферные фронты, циклоны, антициклоны, пассаты, муссоны, ьшадные ветры и вихри, порождающие ОПП следующего типа: бури, штормы, ураганы, тромбы (торнадо), смерчи, шквалы, местные ветры, за- тяжные и интенсивные ливни, грозы, град, туманы. Опасные природные явления в атмосфере зимнего времени: • сильный снегопад, метель; • ледовые явления: гололед, гололедица, мороз, обледенение. Опасные природные явления в атмосфере летнего времени: • жара, засухи, суховеи. 4. Метеогенно-биогенные ОПП: • природные пожары (степные, лесные, подземные). 5. Гидрологические и гидрогеологические ОПП. Гидрологические опасности во внутренних водоемах: • наводнения (половодья и паводки). 167
Раздел II. Опасные природные процессы Ледовые опасные явления: • зажоры, заторы, наледи, подземные льды, термокарст, ранние при- брежные льды, сплошной ледяной покров в портах, оледенение судов и пор- товых сооружений, морские и горные льды. Ветровые гидрологические воздействия: • тайфуны, сильные волнения на море, ветровой нагон, волновая аб- разия берегов морей и океанов. Цунами и опасные явления у побережий: • цунами, сильный тягун в портах. Подземные воды и их воздействие: • колебания уровня грунтовых вод, колебания уровня вод закрытых водоемов, карст, суффозия. 6. Геологические ОПП. Эндогенные опасные природные процессы: • тектонические (длительные колебания уровня Мирового океана, из- вержение вулканов, землетрясения, горные удары, разжижение грунта); • геофизические (геопатогенные, радиогенные) и геохимические (оре- олы месторождений). Экзогенные опасные природные процессы: • выветривание; • склоновые процессы (обвалы, камнепады, осыпи, курумы, оползни, сели, лавины, пульсирующие ледники, плоскостной склоновый смыв, крип, солифлюкция, дефлюкция, просадка лессовых пород, эрозия склонов, эро- зия речных берегов); завальные и ледниковые наводнения; • ветровая эрозия почв (пыльные бури). 7. Инфекционная заболеваемость людей: единичные случаи экзотических и особо опасных инфекционных забо- леваний; групповые случаи опасных инфекционных заболеваний; эпидемическая вспышка опасных инфекционных заболеваний; эпидемия (массовое инфекционное заболевание людей); пандемия (эпидемия, охватывающая значительную часть населения); инфекционные заболевания людей невыявленной этиологии. 8. Инфекционная заболеваемость сельскохозяйственных животных: единичные случаи экзотических и особо опасных инфекционных за- болеваний; энзоотии (эпидемия животных в определенной местности); эпизоотии (широкое распространение заразной болезни животных); панзоотии (эпизоотия необычайно широкого распространения); инфекционные заболевания сельскохозяйственных животных невыяв- ленной этиологии. 168
Глава 5. Классификация опасных природных процессов 9. Поражение сельскохозяйственных растений болезнями и вредителями: прогрессирующая эпифитотия (массовое заболевание растений); панфитотия (широко распространившаяся эпифитотия); болезни сельскохозяйственных растений невыявленной этиологии (при- чины); массовое распространение вредителей растений. Б. Классификация ОПП по площади проявления (контуру влияния) По плошади проявления ОПП подразделяются на: точечные (импактные), линейные (овраги, оползни, сели, лавины), пло- щадные (землетрясения, вулканы, наводнения), объемные (магнитные бу- ри, атмосферные явления). В. Типизация ОПП на основе анализа ЧС по тяжести последствий Таблица 5.1 Типизация природных чрезвычайных ситуаций (ЧС) по тяжести последствий для территориальных комплексов населения и хозяйства (TKHX) |по С.М. Мягкову, 1995] Категория ЧС Восстановимость потерь в ТКНХ Характер последствий ЧС. Максимальное число прямых жертв в наиболее населенных районах мира Вероят- ное количе- ство ЧС в год в России полнота вос- становления обычные сроки вос- становления ЧС-1. лег- чайшие Полностью До 3 суток В основном нарушения работы ком- муникаций. Число жертв — п х 10. Прочие потери (повреждения соору- жении, посевов и др.) малы и для ТКНХ практически неощутимы П X 102 ЧС-2, легкие, слабые Полностью До 1 года Повреждения коммуникаций, предприятий, населенных пунктов, потери урожая и т.п. Число жертв — п х 102 — n х 10? п х 10 169
Раздел II. Опасные природные процессы Окончание таблицы 5.1 Категория ЧС Восстановимость потерь в ТКНХ Характер последствий ЧС. Максимальное число прямых жертв в наиболее населенных районах мира Вероят- ное количе- ство ЧС в год в России полнота вос- становления обычные сроки вос- становления чс-з, средние Полностью До 5—7 лет Повреждения и разрушения неселенных пунктов, предприятий, потери урожая и т.п., но без существенного ущерба для природ- ной основы ТКНХ. Число жертв — п х 104 — п х 105 п х КК1 ЧС-4, тяжелые, сильные Не полностью Более 5—7 лет Разнообразный ущерб, в котором наиболее существенны потери природной среды ТКНХ и (или) населения. Число жертв — до п х 105 - п х 10б п х I0-4 ЧС-5, уничтожа- ющие В экономически обозримые сроки потери невосстановимы Разнообразный ущерб, решающую часть которого составляет практи- чески полная потеря природной основы ТКНХ, ведущая к прекра- щению его существования Г. Классификация ОПП по характеру воздействия По характеру воздействия ОПП подразделяются на: оказывающие преимущественно разрушительное действие (ураганы, тайфуны, смерчи, землетрясения, нашествие насекомых (саранчи и др.)); оказывающие преимущественно парализующее (останавливающие) дей- ствие для движения транспорта (снегопад, ливень с затоплением, гололед, гроза, туман); оказывающие истощающее воздействие (снижают урожай, плодородие почв, запас воды и других природных ресурсов); стихийные бедствия, способные вызвать технологические аварии (при- родно-технические катастрофы) (молнии, гололед, обледенение, биохими- ческая коррозия и др.). Некоторые явления могут быть многоплановыми. Например, навод- нение может быть разрушительным для города, парализующим — для за- топленных автодорог и истощающим — для урожая. 170
Г юва 5. Классификация опасных природных процессов Д. Классификация ОПП по масштабу проявления По масштабу проявления ОПП бывают: всемирные (Всемирный потоп); континентальные (гибель Атлантиды); национальные (армянское землетрясение в г. Спитак); региональные (вулканы, реки); районные и местные. Е. Классификация ОПП по времени (продолжительности) По времени действия ОПП подразделяются на: мгновенные (секунды, минуты) — импактные, землетрясения; кратковременные (часы, дни) — шквалы, атмосферные явления, паводки; долговременные (месяцы, годы) — космогенные, климатические; вековые (десятки, сотни лет) — климатические, эвстатические, космо- генные. 5.3 Социально-психологическое воздействие природных катастроф В настоящее время накоплен достаточно большой материал по социально-психологическому отклику на ЧС. Социально-пси- хологический отклик зачастую бывает абсолютно непредсказуемым не толь- ко в социальном, но и в историческом плане. В Древнем Китае многовековые династии в одночасье свергались после крупнейших землетрясений, так как считалось, что император как намест- ник Бога на своей Земле должен был защитить народ от такой катастрофы, а раз он не справился со своей основной задачей, то должен был «уйти». В том же Китае «благодаря» стихийному бедствию — разливу реки Хуан- хэ в 1350—1351 гг. было свергнуто почти столетнее монгольское иго. Навод- нением были охвачены гигантские территории нынешних провинций Хэ- 171
Раздел II. Опасные природные процессы нань, Хэбэй и Шаньдун, монгольский правитель Тогон-Тимур приказал согнать население на возведение защитных дамб. В ответ в различных ме- стах вспыхнули народные волнения, переросшие затем в знаменитое вос- стание «красных повязок», результатом которого стало изгнание монголь- ских завоевателей и образование в Китае новой правящей династии Мин. Борьба с аналогичными бедствиями — наводнениями — в просвещен- ной Европе (причем примерно в то же время) привела к абсолютно другому результату. Известно, что в 1270 г. жители небольшого прибрежного поселе- ния на реке Амстел, порядком «устав» от регулярных наводнений, решили уберечь свои дома от этого стихийного бедствия и построить большую за- щитную дамбу. Именно это событие послужило рождению будущей столи- цы Голландии — Амстердама, уникального города, выросшего практически на многочисленных каналах, в котором даже королевский дворец был по- строен почти на 14 000 сваях. Не менее неожиданный социально-психологический отклик связыва- ется с различными космическими явлениями, в первую очередь с падени- ем метеоритов. Известно, что многим метеоритам, упавшим на Землю, в разное время и в разных местах люди поклонялись как неким «небесным знамениям». Но самое удивительное событие связано с метеоритом, упавшим в 622 г. в районе Мекки, т.е. в месте, где жили приверженцы так называемого ран- него мусульманства. Как пишут некоторые исследователи, падение метеори- та, или Черного камня, хранящегося ныне в святыне мусульман — Каабе, стало рассматриваться как знамение, специально посланное в назидание и поклонение мусульманам. Это привело к резкой вспышке «мусульманского энтузиазма» в этих краях и мощному укреплению мусульманской религии. В этой связи следует отметить, что падение Тунгусского метеорита 30 ию- ня 1908 г. не вызвало никаких социальных потрясений лишь только потому, что его «мишенью» оказались малонаселенные пространства Подкаменной Тунгуски. Упали он, например, в центре Европы, нынешняя ее политическая карта была бы, вероятно, несколько иной. С развитием цивилизации возрас- тает роль мощных техногенных катастроф, поэтому недаром, вероятно, нача- ло распада СССР часто связывают с чернобыльской катастрофой 1986 г. Систематика социально-психологического отклика: ЧС-1 — проходят почти незаметно, а некоторые (например, ливни) рассматриваются как забавный эпизод; ЧС-2 — неприятность, вызывающая у населения чувство неудобства, раздражения; ЧС-3 — бедствие в прямом смысле слова: может вызвать эмиграцию или изменить социально-психологическую обстановку; ЧС-4 — создают атмосферу уныния, упадка духа, изменяют отношение к жизненным ценностям, могут привести к социальным потрясениям; ЧС-5 — для уцелевших людей навсегда останется событием, сломав- шим судьбу, и может быть, жизнь. 172
Гюва 5. Классификация опасных природных процессов МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Чем стихийное бедствие отличается от стихийного явления? 2. В чем различие опасности, угрозы, дискомфорта и ЧС? 3. Какие ОПП вызывают механические (динамические) поражающие факторы? 4. Почему абразия морских берегов отнесена к склоновым процессам, а абразия морских берегов — нет? 5. В чем различие гидрологических и гидрогеологических процессов? 6. Почему цунами выделены в самостоятельную группу ОПП? Рекомендуемая литература 1. Акимов В.А., Новиков В.Д., Радаев Н.Н. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации: опасности, угрозы, риски. М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2001. 2. Григорьев А.А., Кондратьев К.Я. Природные и антропогенные эколо- гические катастрофы. Классификация и основные характеристики // Иссле- дование Земли из космоса. 2000. № 2. С. 72—82. 3. Порфирьев Б.Н. Управление в чрезвычайных ситуациях: проблемы теории и практики. Итоги науки и техники. Сер.: Проблемы безопасности: чрезвычайные ситуации. Т. 1. М.: ВИНИТИ. 1991. 4. Харькина М.А. Экологические последствия природных катастроф. VI.: Энергия, 2001. 5. Холмогоров Ю.П. Классификация ЧС. (сайт: xolm@rambler/ru).
глава КОСМОГЕННЫЕ ОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ Впервые мир был назван космосом знаменитым Пифагором, который обратил внимание на царящие в нем порядок и гармонию. Л.А. Чижевский показал, что космос реально влияет на биосферу Земли, и свя- зано это непосредственно с солнечной активностью. Позже стало развиваться направление по исследованию ударных воздействий метеороидов на Землю как на «мишень» и влияния магнитных бурь на биосферу Воздействие космоса на Землю активно исследуют гелиофизики, геофизики атмосферы, геологи и гео- физики, биологи и врачи, космонавты. Воздействие систем космоса на системы Земли имеет четыре составляющих: галактическое, солнечное излучение — кор- пускулярное и электромагнитное, вещественное (метеорные потоки, кометная пыль, импакгное воздействие метеоритов, астероидов и комет), гравитационное воздействие (пульсации центров масс Земли — Луны и Солнца, влияние парных и тройных соединений планет, влияние на кинематику орбиты Земли) (рис. 6.1). Степень воздействий зависит от механизма реализации и характера отклика «мишени» и варьирует по интенсивности, длительности, масштабу и эффекту последствий. Вопрос о галактическом влиянии частично на качественном уров- не был рассмотрен в разделе I и далее рассматриваться не будет, так как пери- оды воздействий по длительности относятся к специфике геологии, поэтому не подлежат детальному рассмотрению в рамках курса ОПП. 6.1 Солнце. Магнитные бури. Гелиовоздействия Солнечные источники космической погоды явля- ются основными факторами воздействия. Они до- вольно часто нарушают спокойствие на Земле и в
Глава 6. Космогенные опасные процессы Рис. 6.1. Схема солнечно-земных связей |Винник М.А., Иванов О.П.] околоземном космическом пространстве. Достаточно сказать, что в тече- ние 11-летнего цикла солнечной активности на Солнце происходит около 37000 вспышек (по данным за 22-й цикл солнечной активности — 1986— 1996 гг.). В максимуме солнечного цикла в среднем происходит 1 вспыш- ка в 1—2 ч, в минимуме — 1—2 вспышки в день. Другие наиболее мошные проявления солнечной активности — выбросы коронального вещества в среднем происходят 5—10 раз в день, и только небольшая их часть распро- страняется в направлении Земли и вызывает геомагнитные бури. В течение солнечного цикла на Земле под действием различных солнечных источни- ков (выбросы коронального вещества, вспышки и связанные с ними удар- ные волны, высокоскоростные потоки солнечного ветра и т.д.) происходит около 500 магнитных бурь, которые влияют на состояние больных людей и могут приводить к опасным, а в ряде случае и к катастрофическим воз- действиям на различные технические системы. Достаточно упомянуть из- вестное событие марта 1989 г., когда на 9 ч штат Квебек (Канада) был обесточен из-за наведенных в линиях электропередач индукционных токов и отключения защитных реле. 175
Раздел II. Опасные природные процессы Во время магнитных бурь возникает много негативных явлений. В под- водных трансатлантических кабелях связи наблюдаются сбои из-за необыч- но высоких значений напряжения. Спутники на низковысотных орбитах изменяют параметры орбит из-за «разбухания» ионосферы и изменения лобового сопротивления. Из-за сильных ионосферных возмущений нару- шаются радиосвязь и работа навигационных систем. Наведенные токи в протяженных трубопроводах нарушают антикоррозийную защиту, умень- шая срок их эксплуатации и нанося ощутимый экономический ущерб. При- веденные примеры говорят о глобальности воздействия солнечной активно- сти на Землю и о необходимости ее контроля в интересах устойчивого функционирования различных технических систем и народного хозяйства в целом. Магнитные бури — это кратковременные (несколько суток) сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие его плавный су- точный ход. Они вызываются воздействием усиленных потоков солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли. Помимо непрерывно «дующего» солнечного ветра. Солнце служит ис- точником солнечных космических лучей. Основным их источником явля- ются вспышки. Вспышки — самые мощные взрывоподобные процессы, на- блюдаемые на Солнце. Они могут продолжаться всего несколько минут, но в это время выделяется энергия, которая иногда достигает 102< Дж. Интен- сивные потоки электромагнитной радиации достигают Землю через 8 мин, так как распространяются со скоростью 300000 км/с, а корпускулярный поток (заряженные частицы) — через 10—20 ч. Если магнитное поле Земли представляет собой в целом диполь, то маг- нитное поле Солнца беспорядочно, хаотично и не поддается такому просто- му описанию, как дипольное поле Земли. Ученые полагают, что если даже рассмотреть поле Солнце как диполь, то и в этом случае оно все равно на- правлено как бы противоположно простиранию земного диполя. Сама же величина магнитного поля Солнца вдвое превышает величину магнитного поля Земли. Однако общее магнитное поле Солнца, в отличие от земного, не явля- ется единственным: на него накладываются магнитные поля, которые свя- заны с так называемыми солнечными пятнами, напряженность магнитного поля которых достигает 1000—3000 Гс. Поэтому дипольным полем Солнца обычно пренебрегают. Еше одно осложнение: если основные параметры ак- тивности самого Солнца меняются с периодом в 11 лет, то ориентировка магнитных полей солнечных пятен — с периодом в 22 года. Генезис магнитных бурь. Источником резких возмущений магнитного поля Земли является динамика солнечных пятен. Пятна образуются в фото- сфере (прозрачная сфера) — наиболее нижнем видимом слое (Т = 6000°С, М = 100—200 км). Первопричина развития солнечных и магнитных бурь — солнечные вспышки в районе пятен. Сами солнечные пятна, несмотря на 176
Глава 6. Космогенные опасные процессы большое магнитное поле (1000—3000 Гс, тогда как поле Земли — 0,5 Гс), являются участками относительного спокойствия, так как плазма как бы вморожена их магнитным полем. Плошадь пятна может достигать несколь- ких сотен миллионов квадратных километров. Магнитные поля пары сол- нечных пятен связаны между собой из-за противоположной полярности. Пятна окружены флоккулами (более яркими областями) и факелами — это тоже признаки активности. При сближении зон разной полярности проис- ходит вспышка (рис. 6.2). Рис. 6.2. Солнечная вспышка и протуберанец [Курьер. 1984. С. 29] Наибольшее влияние оказывают солнечные хромосферные вспышки и и», части — протуберанцы. Вспышка происходит следующим образом: око- ю 25 млрд км2 (площадь большого солнечного пятна) неожиданно вспыхи- к»ет (яркость увеличивается в несколько десятков раз, высота вспышки до Hit) ООО км), через 5—10 мин наступает максимум излучения, и потом 1—2 ч пится угасание. Вспышки происходят чаше в центральных областях солнеч- ных пятен. Определенный тип пятен за время прохождения по полусфере ( отца способен породить 30—40 вспышек. Во время вспышки возникают токи вещества со скоростями 500—1000 км/с. Если вспышка происходит к> центру солнечной сферы, то магнитная буря гарантирована, а если с • раю — то не всегда. Солнечные вспышки дают корпускулярный выброс । электроны и ионы — в равных количествах, протоны), рентгеновское излу- иние и другие виды излучения (от гамма-лучей до радиоволн). Из области солнечных пятен выбрасывается так называемая солнеч- мя плазма, которая устремляется с поверхности Солнца в радиальном на- равлении. А поскольку Солнце вращается, то потоки плазмы закручива- kjjN’ 1707 177
Разде! 7/. Опасные природные процессы ются в вихри, и в таком вихревом потоке магнитное поле солнечного пят- на уносится в межпланетное пространство. Что же происходит, когда поток солнечной плазмы достигнет наконец орбиты Земли? Как известно, всякое движущееся тело обладает кинетической энерги- ей. Обладает ею и движущаяся плазма. Поэтому когда солнечная плазма достигает магнитного поля Земли, этот контакт фиксируется не простой встречей двух потоков, а четко выраженной ударной волной — невидимой, неслышной, но от этого не менее опасной для всего живого, находящего- ся в этот момент на Земле. В момент, когда ориентировка магнитных полей Земли и Солнца не совпадает, т.е. в момент наибольшей дискордантности земного и межпла- нетного магнитных полей, происходит магнитная буря. Фактически это — возмущение всех защитных сфер Земли. Меняющиеся в результате солнечной активности потоки излучения и заряженных частиц воздействуют на магнитосферу, ионосферу, атмосферу Земли и озоновый слой стратосферы, оказывал постоянное влияние на ок- ружающую среду Земли (рис. 6.3). Рис. 6.3. Влияние космической погоды на технические системы на поверхно сти Земли и в космосе [Ораевский В.Н., Кузнецов В.Д.. 2002: http://www.rosavia- cosmos.ru/cp 1251 /NAU K ST/szf— fki html] 178
Г шва 6. Космогенные опа чые процессы Все оболочки Земли, включая биосферу, входят в состав геокосмиче- ского ансамбля. Этот ансамбль представляет собой единую колебательную систему, ритмы которой отразились в динамике всех процессов, идущих в биосфере. Принцип иерархичности в организации любых ансамблей пред- полагает соподчиненность функционирования всех нижестоящих элемен- тов вышестоящим, или управляющим элементам. В системе космической иерархии Солнце является для Земли ближайшим и одним из главных организаторов процессов, идущих в ее физических оболочках — геосферах, которые, в свою очередь, контролируют состояние биосферы. Потоки вы- сокоэнергичных частиц и электромагнитах волн Солнца непрерывно вза- имодействуют с внешними системами Земли — магнитосферой, ионос- ферой и атмосферой. Внешние оболочки Земли, с одной стороны, служат экраном, защищающим биосферу от потоков частиц с высокими энергиями и жестким излучением, а с другой стороны, трансформируют и перераспреде- тяют суммарную энергию, приходящую от Солнца, до тех форм и доз, ко- торые необходимы для развития биосферы. Поток солнечных высокоскоростных частиц, достигая магнитосферы Земли, приводит к сжатию ее, что, в свою очередь, вызывает нарушение динамического равновесия в магнитоплазменных оболочках Земли. В ре- .тьтате сложных преобразований и трансформации энергии ударной вол- ны в магнитосфере и ионосфере на поверхности Земли возникают значи- тельные колебания естественных электромагнитных полей (ЭМП). Сущест- венные колебания (вариации) ЭМП Земли называют магнитными бурями । ти геомагнитными возмущениями (ГМВ). Именно вариациям естественных ЭМП и отводится роль агентов, опосредующих воздействие солнечной ак- тивности на процессы в биосфере, включая влияние на организм человека м через него — на жизнь человеческого общества. Первая защитная сфера Земли, которая встречает удар, — магнитосфе- । — является магнитным щитом Земли. Он экранирует Землю от корпус- v. тярной радиации, не давая ей уничтожить атмосферу. На воздействие магнитосфера откликается рядом явлений. Магнитосферная плазма из-за •чинвективных движений порождает электрические токи — экваториальную л полярную электроструи. Из полярных электроструй при сильных возму- щениях частицы «впрыскиваются» в ионосферу, вызывая полярные сияния 'свечение атомов и молекул кислорода и азота на высотах 90—120 км). Так как вспышка — процесс многоимпульсный, возникает последова- тельная серия сжатий и расширений магнитосферы, изменяющих напря- женность магнитного поля у поверхности Земли, т.е. суббурь, что в целом vocтaвляeт картину большой магнитной бури В зависимости от того, яв- яется источником возмущений плазма от вспышки или высокоскорост- ной поток солнечного ветра, магнитные бури имеют внезапное или посте- пенное начало. Общая энергия, поступающая в магнитосферу, колеблется •’ пределах 10й’—1017 Дж, поток энергии равен 10" Вт. Следует отметить, 179
Раздел //. Опасные природные процессы что интенсивность спокойных периодических вариаций в средних широтах Земли составляет 30—50 нТл (приблизительно 0,1% главного поля), коле- бания же во время магнитных бурь составляют 100 нТл, а иногда до 1500— 2000 нТл. Геомагнитные пульсации чутко реагируют на колебания уровня солнеч- ной активности. Например, примерно через 40 ч после мощной солнечной вспышки их амплитуда в области частот меньше 1 Гц может увеличиться в 1000 раз. Такие колебания являются одним из наиболее вероятных магни- тобиологических факторов. Более того, магнитосфера под воздействием электрических полей является источником колебаний частотой до 5 Гц и амплитудой от долей гаммы до величин около 1 нТл. Для сопоставления приведем следующие цифры. Величина суточных ва- риаций магнитного поля Земли составляет 15—30 нТл, для 11-летнего цик- ла диапазон достигает 100 нТл. а при сильной магнитной буре — 1000 нТл и более. Во время магнитосферных возмущений электрическое поле Земли уси- ливается. Вокруг Земли имеются 3 зоны, где электрические токи наиболее интенсивны и восприимчивы к влиянию извне. Это район геомагнитного экватора, где пролегают экваториальная электроструя и зоны полярных си- яний в северном и южном полушариях. Экваториальная струя обусловле- на горизонтальностью магнитного поля Земли на экваторе. Кроме того, вдоль магнитных силовых линий также текут электрические токи. Известно, что почти дипольное магнитное поле внутренней магнито- сферы Земли создает особые зоны «магнитных бутылок», в которых заря- женные частицы могут «захватываться» на длительное время и вращаться вокруг силовых линий. При этом частицы периодически отражаются от околоземных концов силовых линий (где магнитное поле увеличивается) и медленно дрейфуют вокруг Земли по окружности. В наиболее мощном внутреннем радиационном поясе хорошо удерживаются протоны с энерги- ями вплоть до сотен мегаэлектронвольт. Дозы облучения, которые можно получить при пролете этой зоны, настолько велики, что долго в нем могут находиться только научно-исследовательские спутники. Пилотируемые ко- рабли «прячутся» на более низких орбитах, а большинство спутников свя- зи и навигационных космических аппаратов находятся на орбитах выше этого пояса. Наиболее близко к Земле внутренний пояс подходит в точках отражения. Из-за наличия магнитных аномалий (отклонений геомагнитно- го поля от идеального диполя) в тех местах, где поле ослаблено (над так на- зываемой бразильской аномалией), частицы достигаю! высот 200—300 км, а в тех местах, где оно усилено (над восточносибирской аномалией), — 600 км. Сам по себе внутренний пояс стабилен, но во время геомагнитных бурь, когда магнитное поле ослабевает, его условная граница спускается еще ближе к Земле. Это учитывается при планировании полетов космонав- тов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300—400 км. 180
Глава 6. Космогенные опасные процессы Во внешнем радиационном поясе наиболее эффективно удерживаются энергичные электроны. Их количество резко возрастает во время магнит- ных бурь за счет выброса плазмы из внешней магнитосферы. К сожалению, по внешней периферии этого пояса проходит геостационарная орбита, неза- менимая для размещения спутников связи. Ее высота около 42000 км. Здесь важна электризация спутников, так как любой предмет, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Появляю- щиеся во время магнитных бурь облака горячих (до сотен килоэлектрон- вольт) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный отрицательный заряд. Разность потенциалов между соседни- ми деталями спутников может достигать нескольких десятков киловольт, это провоцирует спонтанные электрические разряды, выводящие из строя элек- трооборудование. Наиболее известным следствием такого явления стала по- томка во время одной из магнитных бурь 1997 г. американского спутника TELSTAR, в результате чего значительная часть территории США осталась без пейджерной связи. Геостационарные спутники рассчитаны на 10—15 лет работы и стоят сотни миллионов долларов. Еще один источник космической радиации — солнечные космические лучи (протоны и альфа-частицы, ускоренные до десятков и сотен мегаэ- лектронвольт). Наиболее глубоко они проникают в магнитосферу в припо- лярных районах, так как двигаются вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Поэтому трассы полетов, спутников и даже самолетов становятся ра- диационно опасными. Экипажи самолетов, летающие на высотах 9—11 км в этих районах, проходят ежегодный контроль по правилам, установленным для радиационно опасных видов деятельности. А самолеты «Конкорд», де- лающие на больших высотах, обязаны отклоняться к югу. После наиболее мощных вспышек доза облучения экипажа может превышать облучение 100 флюорографических обследований. Второй защитной сферой является ионосфера Земли. В области ионосфе- ры текут интенсивные электрические токи, составляющие десятки тысяч ам- ер. Эти токи регистрируются на Земле как изменение геомагнитного поля, корпускулярное излучение наиболее легко проникает в атмосферу Земли вблизи ее полюсов, так как в этом случае заряженные частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, а не поперек их. Они воздей- ствуют на состояние ионосферы, вызывая нелинейные электромагнитные отклики. Кроме того, из-за нагрева полярной ионосферы происходит изме- нение погоды на Земле, так как изменяется содержание озона, меняется электрический потенциал ионосферы и происходит возбуждение планетар- ных волн, которые потом распространяются к средним и низким широтам. Ионосферные возмущения начинаются в слое F2 в высоких широтах и затем тоже распространяются на средние и низкие широты. Наибольшее озмущение ионосферы отмечается на широтах 40—80°. Основное измене- ние электронной концентрации происходит на высотах больше 180 км. 181
Разде / II. Опасные природные процессы Обычно в самом начале вспышки, когда за счет жесткого ультрафио- летового и рентгеновского излучений происходит дополнительная иониза- ция ионосферы, нарушаются ионосферные токовые системы и появляются колебания на частоте 0,04 Гц. При дальнейшем развитии растет фон инф- развука на частотах 0,05—0,01 Гц, а также резко растет концентрация радо- на, причем в глобальном масштабе Примерно через 40 ч после вспышки в момент магнитной бури возрастает амплитуда колебаний сраз> в несколь- ких частотных полосах от 5 Гц до нескольких тысячных долей герц, появ- ляются шумы на звуковых частотах, нарушается радиосвязь. В конце маг- нитной бури возникают колебания на частоте 5—0,3 Гц. Ионосфера — самая плотная плазменная оболочка Земли. После сол- нечных вспышек ионосфера, поглощая солнечное рентгеновское излуче- ние, нагревается и раздувается, увеличивая при этом плотность плазмы, при этом повышается аэродинамическое сопротивление движению спут ников и пилотируемых кораблей. В 1972 г. не учли подобную ситуацию, и американская станция «Скайлэб- упала. Во время спуска станции «Мир» Солнце было спокойным, и все обошлось благополучно. Во время вспыш- ки в ионосфере образуются плазменные сгустки и «лишние» слои, что су- щественно влияет на радиосвязь. Магнитные бури в высоких широтах мо- гут полностью блокировать радиоэфир в течение нескольких суток. Во время магнитных бурь стрелка компаса начинает беспорядочно вра- щаться из-за вариаций магнитного поля. Вариации поля создаются струями ионосферных токов силой в миллионы ампер — электроджетов. которые возникают в полярных и авроральных широтах. В свою очередь магнитные вариации по закону электромагнитной индукции генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в оказавшихся поблизости искусственных проводниках. Наводимая раз- ность потенциалов невелика (около 50 В/км), но в протяженных проводни- ках с низким сопротивлением (линиях связи и электропередач, трубопро- водах, рельсах железных дорог) полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер. Наименее защищены от подобного влияния низковольтные линии свя- зи. В линиях электропередач, работающих на переменном токе частотой 50—60 Гц. индуцированные токи вносят только небольшую постоянную добавку Именно добавку постоянного тока не выносят трансформаторы переменного тока. Возникает избыточное магнитное насыщение сердечни- ка магнита, что приводит к сильному поглощению энергии, перегреву об- моток и аварии всей системы. По этой причине в 1989 г. половина Кана- ды на несколько часов осталась без электричества. Третьей защитной сферой считается нижняя часть атмосферы — она эк- ранирует Землю от волновой., радиации. В интервале высот 20—60 км на- ходится максимальная концентрация озона. Озон полностью поглощает излучение в диапазоне 220—290 нм (ближний ультрафиолет). 182
Г taea 6. Космогенные опасные процессы Ученые проследили за выбросом при вспышке (третьим по мощности за последние 30 лет) положительно заряженных частиц — протонов, кото- рые бомбардировали атмосферу Земли 14—16 июля 2000 г. Молекулы азота и водяного пара при такой атаке расщепляются. Азот образует окись азота и долго сохраняется в таком виде. Бомбардировка водяного пара приводит к образованию короткоживущей окиси водорода. Но она даже за короткое время успевает разрушить до 70% озона в средней мезосфере. Азотные окис- зы уничтожают около 9% озона в верхних слоях атмосферы. Но суммарно все это составляет около 1 % Негативные биовоздействия. Во время бури растет недостаточность кро- воснабжения из-за спазмов сосудов и чаше возникают инфаркты и инсуль- ты (в 1,5 раза на 4-й день бури). Вероятно, инфразвук резонансно воздей- ствует на сердечно-сосудистую систему. Изменение электрического поля на частотах 2—3 Гц влияет на реакцию человека (увеличивается число ДТП) и на сердечно-сосудистую систему. Живые организмы чувствительны к сверхнизкочастотным магнитным л электрическим полям малой напряженности. Электромагнитное излуче- дие на низких (104 Гц) и сверхнизких (10- Гц) частотах при высокой на- тяженности генерируется в магнитосфере. В высоких широтах напряжен- ность поля выше Важнейшей особенностью всякой биологической ритмики является син- 'ронизация с периодическими вариациями среды обитания. Так. почти не- дельная ритмика связана с изменением погоды и обусловлена секторной структурой межпланетной среды. Данные, полученные со спутников, ука- .ывают на наличие 27-дневных вариаций, вызванных вращением Солнца 'регистрация в диапазоне волн короче 3000 ангстрем). Они непосредствен- но влияют на состояние озонового слоя Земли, так как он чувствителен к облучению заряженными частицами, ультрафиолетовому и рентгеновскому .'злучению, и влияют на тропосферу и погоду Было показано, что самые разнообразные феномены биосферного и ноо- сферного плана (сфера человеческого сознания, разума) имеют ритмический характер. Их квазипериоды близки к космическим ритмам. В частности, бы- » выявлена синхронность циклов солнечной активности с различными ритмами социума: «психического состояния» общества, творческой актив- ности, экономики, «альтернативных» социальных движений, типов общест- ‘ . иного сознания, политической деятельности, военных конфликтов, соци- ыьных возмущений и др. Наличие связи между солнечной активностью, .сихофизиологическим состоянием членов социума и ноосферными про- весами синхронно солнечным циклам (55—60 лет) совпадает и с ритмами доминирования правого или левого полушарий мозга и ритмами явлений культуры. Смена доминирования полушарий головного мозга детерминирует оп- ределенную психическую ориентацию личности. На популяционном уров- 183
Раздел Н. Опасные природные процессы Рис. 6.4. Схема биоритмов человека не межполушарная асимметрия про- является в преобладании тех или иных типов человеческого сознания. Например, доминирование в обще- ственном сознании левополушарно- го типа мышления связывается с преобладанием в общественных стру- ктурах жесткой регламентации, а в культуре — с распространением оп- тимизма, интересов к будущему, с принятием идеологии подчиненно- сти мира законам разума. В обще- ственной жизни распространяется прагматизм. При доминировании правого полушария наблюдаются значительный интерес к прошлому, пессимизм, симпатии к романтиче- скому своеволию, индивидуализм. Анализ причин, лежащих в осно- ве модуляции психоэмоционального состояния человека геокосмически- ми агентами, сопряженными с сол- нечной активностью, указывает на то, что таковыми могут являться ло- кальные вариации геомагнитного по- ля (ГМП), которые возникают в ре- ветра с магнитосферой Земли. Этот зультате взаимодействия солнечного вывод базируется на результатах, полученных в лабораторных исследова- ниях. Была сделана оценка значимости электромагнитных полей (близких по своим характеристикам к естественным ЭМП) с работой центральной нервной системы. Попутно были выявлены статистические связи между психоэмоциональным состоянием людей и характером геомагнитной ак- тивности. Вариации естественных ЭМП и психо- эмоциональное состояние человека Принципиальная возможность воздействия вариа- ций естественных ЭМП на функциональное состояние головного мозга определяется следующими предпосылками. • Центральная нервная система осуществляет неспепифическую адап- тацию к меняющимся условиям среды. При этом кора головного мозга иг- 184
Гюва 6. Космогенные опасные процессы рает роль посредника между внешней средой и внутренними событиями в организме, она первой среди других систем реагирует на магнитные поля. • Подпороговые, слабые раздражители, к которым можно причислить естественные ЭМП, могут суммироваться, меняя функциональную актив- ность нервной системы. • Частотный диапазон ритмов мозга, включая сверхмедленный ритм (0,003—0,02 Гц), соответствует частотному диапазону вариаций геомагнит- ного поля, что предполагает возможность модуляции этих ритмов естест- венными ЭМП. Следствием таких воздействий могут быть комбинирован- ные резонансы и десинхронность. Экспериментальные данные, полученные при изучении действия пере- менного магнитного поля на центральную нервную систему, показали, что и зависимости от частоты и напряженности ЭМП в коре больших полуша- рий мозга могут развиваться процессы торможения и возбуждения, проис- ходить изменения суммы возбуждения в нервных клетках головного и спин- ного мозга. При этом наиболее четкие реакции отмечаются на магнитное поде, подаваемое в импульсном режиме с частотой 10 Гц. Этот эффект за- служивает особого внимания, так как основные ритмы мозга расположены п области «шумановских» резонансов полости Земля — ионосфера (1 Гц). Поэтому можно ожидать, что в этом диапазоне частот возможны резонанс- ные взаимодействия между ведущими ритмами мозга и естественными ЭМП. Выступая в роли возбудителей периодических процессов, естествен- ные ЭМП могли бы активно влиять на психофизиологические процессы и ем самым контролировать поведение человека. Исследования показали, что, действительно, функциональное состоя- ние мозга человека зависит от структуры и дозы воздействия естественных ЭМП. В частности, экстраординарные реакции мозга, включая смену до- минирования полушарий, развиваются на фоне пониженной геомагнитной активности и сопровождаются комплексом психоэмоциональных реакций, свидетельствующих об угнетении аналитического мышления. Эти результаты хорошо согласуются с работами московских исследовате- гей, которые доказали, что при снижении геомагнитной активности наблю- дается рост особо опасных преступлений одновременно в различных местно- стях. Из этого следует, что крайне низкий уровень геомагнитной активности может являться причиной психофизиологических стрессов, проявляющихся на социальном уровне в разнообразных неблагоприятных эффектах. Обнару- жена обусловленность психического и эмоционального состояния человека чровнем геомагнитной активности. В частности, было показано, что психо- патическое и шизоидное состояния психики (взрослых людей) регистриру- ются тогда, когда параметры межпланетной среды соответствуют низкой геомагнитной активности (ГМА). Эти результаты хорошо согласуются с дан- ными по тестированию психоэмоционального состояния школьников, а именно при низкой ГМА у школьников значительно повышался уровень 185
Раздел //. Опасные природные процессы тревожности и снижалось настроение. Оказалось, что практически все ис- пытуемые были в той или иной мере чувствительны к вариациям ГМА, од- нако по степени чувствительности распределялись на три группы: особо, умеренно и слабо чувствительные Это значит, что в области высоких широт (районы Приполярья и Крайнего Севера), где вариации естественных ЭМП носят экстремальный характер, люди с высокой чувствительностью к колебаниям геомагнитного поля будут испытывать состояние психоэмоционального напряжения. Примерно 1/3 людей обладает повышенной чувствительностью к вари- ациям естественных ЭМП. Следовательно, если эта категория лиц попадет в высоковариабельные условия среды (что характерно для области Припо- лярья и Крайнего Севера), то она составит особую группу риска. Причем не исключено, что дезадаптация проявится и на уровне психических процессов. Действительно, медико-биологические исследования, проведенные в усло- виях Приполярья и Крайнего Севера, показали, что типичным синдромом дезадаптации является «синдром полярного напряжения». Он проявляется в психопатичности. повышенной утомляемости, раздражительности, головных болях, необъяснимой тревоге, тоске, апатии, снижении работоспособности, т.е. в истощении резервных возможностей и адаптационно-регуляторных систем организма. Поэтому достаточно упрощенное мнение о том, что низкая продолжительность жизни у мужчин на Севере связана с их алко- гольной невоздержанностью, не совсем правомерно. Пожалуй, напротив, склонность к алкоголизму является, скорее всего, следствием нарушения адаптационных механизмов и подсознательным стремлением к психофи- зиологической компенсации дискомфорта за счет адаптогенного действия алкоголя. И не исключено, что именно пьющие жители Севера составля- ют группу риска со сниженными возможностями к адаптации и высокой чувствительностью к действию ЭМП. Этим вопросом просто никто не за- нимался. При геомагнитных возмущениях отмечены развитие полярных сияний и магнитных бурь (частота 0,05—0,01 Гц), рост фона инфразвука, а также резкое увеличение концентраций радона в атмосфере. Радон усиливает облу- чение внутренних органов и повышает концентрацию положительных ионов, вызывая соответствующие физиологические сдвиги. Стрессовое состояние делает человека весьма чувствительным ко всем внешним воздействиям Поэтому, несмотря на то что на первый взгляд дорожно-транспортные происшествия представляются чисто стохастическими (фатальными), в их статистике заложен конкретный детерминизм, связанный, в частности, с солнечной активностью. Растет также скорость осаждения оксихлорида ви- смута, замерзание воды наступает быстрее. Меняются погода и климат из- за ионосферы, а вместе с ними давление, температура, влажность. Связь солнечной активности с массовыми заболеваниями. Известно, что за всю историю человечества больше всего людей погибло от различных 186
Нова 6. Ксп-МОсенньц опасна процессы эпидемий. Первыми итогами новой науки — гелиобиологии, основателем которой можно считать А.Л. Чижевского, были открытия циклических свя- зей между развитием эпидемий (и эпизоотии) и активностью Солнца Такая связь характерна для дифтерии, холеры, заболеваний сердечно-сосу зистой системы (инфаркт миокарда, инсу 1ьт), лейкопении (снижение концентрации лейкоцитов), свертываемости крови и даже эпидемии гриппа. В.Н. Ягодин- ский исследовал реальные солнечно-эпидемиологические связи и провел тщательную статистическую обработку материалов. В результате анализа этих данных было показано, что всем распространенным инфекционным заболеваниям присуща определенная цикличность с периодами около 3, 5, 8, И, 14 и 18—19 лет. Это надо понимать так что на продолжительные ци- клы накладываются менее продолжительные В результате получается сложная система многоритмичности эпидемического процесса. Тем не ме- нее в общей совокупности влияний над всеми ритмами отчетливо преоб- ладает 11-летний цикл. Но при этом надо иметь в виду, что эпидемический процесс от начала до конца не является однородным. При его развитии (в ди- намике) происходит дробление на ряд мелких колебаний. Поэтому и маски- руется основная 11-летняя волна эпидемий. Этим же объясняется наличие \к< !анных выше циклов, продолжительность которых меньше 11 лет. Важно, что между периодами 3, 5, 8, 11, 14 и 18 лет обычно имеется двух- или четы- рехлетний промежуток. Он является кратным повторению дат резких изме- нений солнечной активности. В чем сущность массовых инфекционных заболеваний людей, расте- ний, животных? В основе — массовая активизация вирусов. Вирусы являются самой простейшей формой жизни. Нуклеиновые ки- слоты служат вместилищем информации о живом веществе. Вирус пред- ставляет собой живое вещество чрезвычайно малых размеров, которое спо- собно размножаться. Имеются вирусы различных заболеваний животных и человека. Они являются самыми многочисленными среди всех представи- телей микромира. Живое вещество состоит из клеток. Вирусы же, также являясь живым веществом, находятся на доклеточном уровне. Они как будто открепились от ядра клетки и стали существовать (жить) самостоятельно. Свойства вирусов можно увидеть на примере бактериофагов (с лат. ба- ктериофаги — пожиратели бактерий). Когда фаги (пожиратели) проника- ют в бактерию, они размножаются и растворяют (лизируют) саму клетку. Фаги действуют на клетки следующим образом. Они покрыты надежной белковой оболочкой и имеют специальное приспособление (что-то вроде шприца), которое позволяет впрыскивать вирусную ДНК в тело бактерий. Уже через несколько минут после того, как ДНК попадает внутрь бакте- рии, начинается размножение фаговых частиц. Вследствие этого клетка разрушается. Но реализуется и другой вариант, при котором клетка про- должает жить, несмотря на то, что внутри нее имеется вирус. Клетка при этом заражена открытой, латентной инфекцией. 187
Раздел И. Опасные природные процессы Здесь мы подошли к вопросу об источнике эпидемий. Этот источник (фаг) может годами сохраняться в популяции бактерий, ничем не выдавая себя. Но вдруг — при определенных условиях — все меняется, все ожива- ет. Вирусы начинают свою активную деятельность. Что может сделать ви- русы активными? Установлено, что стимулировать их могут физические и химические факторы: температура, ультрафиолетовые и рентгеновские лу- чи, антибиотики, аскорбиновая кислота и др. Среди таких факторов оказалось и атмосферное электричество. Наблю- дениями было подтверждено, что размножение фагов ускоряется в момент прохождения грозы. Оно ускоряется и во время возмущения магнитного по- ля Земли. Стимулятором размножения действует на фаг и радиоизлучение на частоте 200 мГц. При сравнении скорости размножения фагов с солнеч- ной активностью была определена очень тесная связь между ними. Было установлено, что среди природных факторов, которые индуцируют измене- ния в микромире, факторы космической среды выступают на первое мес- то. Их воздействие может иметь мутагенный (вызывать мутацию или про- извольное изменение генетического кода) характер. Конечно, изменчивость вируса происходит под действием и других природных факторов. Важную роль при этом играет иммунная система ор- ганизма. Изменения вируса происходят непрерывно, постепенно. Но в раз- ные периоды скорость этих изменений различна. При высокой солнечной, а значит, и магнитной, активности возрастает вариабельность (изменчи- вость) признаков вируса. Когда же эти изменения затрагивают те структуры вируса, которые ответственны за его способность вызывать эпидемии, в это время и происходит подъем эпидемического процесса, вспышка эпидемий. Изменяясь, вирус может заменять одну антигенную оболочку на другую, преодолевая таким путем тот иммунитет, который был приобретен вследст- вие циркуляции его предшественников. Вирус меняется с тем, чтобы его на- падение было внезапным. Но это только один из приемов, применяемых ви- русом. Имеются и другие. Вирус может, не меняя своей оболочки, своего лица, изменять другие свои свойства, чтобы повысить свою агрессивность. Ученые много раз пытались предсказывать те изменения, которые ви- рус гриппа претерпевает в продолжение солнечного цикла (длительно- стью 11 лет). Специалисты пытаются понять, кто задает программу вирусу. Возможно, вирус просто подчиняется взмахам палочки дирижера — солнеч- ной активности, дирижера, который является единым для всего живого в ок- ружающем нас мире. Эти изменения свойств вируса гриппа действительно потрясают. Так, в 1947 г. при максимальной солнечной активности появил- ся новый вариант вируса гриппа А-1. Через 10 лет во время очередного ма- ксимума солнечной активности этот вариант вируса сменился совершенно оригинальным вирусом азиатского типа А-2. Этот вирус вызвал целую се- рию пандемий гриппа. Прошло еше 11 лет, и в 1968 г. наступил новый ма- ксимум солнечной активности. В середине этого года в Юго-Восточной Азии началась циркуляция вируса «Гонконг». 188
Гiaea 6. Космогенные опасные процессы Это генеральные изменения вируса. Но одновременно происходят и другие, менее коренные, менее судьбоносные, но очень важные изменения, поскольку они тоже существенно влияют на вспышки эпидемий и на весь эпидемический процесс. Эти изменения дают вспышки эпидемий при ми- нимальной солнечной активности. Под действием космических факторов бактерии могут приобретать со- вершенно новые качества. При этом у них может возникать лекарственная устойчивость, усиливаться размножение, токсикогенность, а также ряд дру- гих изменений. Но различные организмы по-разному реагируют на дейст- вие этих факторов. Нуклеиновые кислоты реагируют на определенные космические излу- чения так, что вызывают принципиальные изменения, затрагивающие да- же нуклеиновый обмен. В качестве примера можно указать на факт связи эпидемий детского паралича с атмосферным электричеством. Специалисты установили, что эпидемии детского паралича возникают в результате «эн- догенной мутации» вируса под действием факторов, связанных с солнеч- ной активностью. Действие космических факторов на микроорганизмы было доказано и в прямых опытах. Так, были исследованы бактерии дифтерии. Токсикоген- ность бактерий связана с поражением их фагом. Наблюдения микробиоло- га С.Т. Вельховера показали, что резкие изменения их свойств очень час- то встречались при максимальной солнечной активности (36 раз в год). При минимальной солнечной активности такие резкие изменения встреча- лись только 5—7 раз в год. Когда исследователь закрывал культуру дифтерии свинцовым экраном, который препятствовал проникновению космических излучений, резкие изменения свойств культуры наблюдались только 1 раз за весь период опыта (1 раз в сезон, когда интенсивность действующих факто- ров была максимальной). Исследователь П.М. Нагорский проводил опыты с культурами дизенте- рии, одна из них находилась под свинцовым экраном, а другая — без экра- на. Он установил существенные различия в токсикогенности культуры в разных условиях ее содержания. Это свидетельствовало о действии на куль- туру космических факторов. Б.М. Владимирский исследовал бактерии кишечной группы — дифтерии, знтракоида (аналог сибирской язвы), а также стафилококков. На культуру воздействовали электромагнитным полем определенной частоты. При этом многие свойства бактерий (интенсивность размножения, биохимические сдвиги и др.) под действием излучения менялись существенно. В других опытах на бактериальную культуру действовали таким возму- щенным (меняющимся) магнитным полем, которое имеет место во время магнитных бурь. При этом было показано, что вирулентность бактерий до- стоверно усиливается. Агрессивность бактерий мышиного тифа, например, усиливалась в 3 раза. В других опытах было показано, что штаммы стафи- 189
Раздел II. Опасные природные процессы лококка под действием магнитного поля в 300 раз увеличивали свою ус- тойчивость. Что такое токсичность микробов в реальной жизни? Это — или жизнь, или смерть. Например, смертность при столбняке во многом зависит от то- ксичности микроба, а последняя зависит от возмущенное™ магнитного поля Земли, а значит, и от солнечной активности. Надо отметить: как и солнечная активность, инфекционные заболева- ния характеризуются изменениями от сезона к сезону. Установлено, что в нашей стране все подъемы заболеваемости гриппом начинались в канун Нового года и продолжались до марта. Максимум кишечных инфекций приходится на конец лета — начало осени. Сезонные изменения в инфек- ционных заболеваниях очень велики. Они по большинству инфекций дос- тигают 50%. Если инфекции передаются кровососущими членистоногими, то в эпидемический сезон регистрируется 100% годового числа заболева- ний. Сезонные подъемы в каждом году складываются с учетом их ампли- туды и продолжительности. Так образуется многолетняя цикличность. Негативное влияние ритмов солнечной активности. Сезонные и годовые вариации обусловлены движением Земли по орбите вокруг Солнца и влия- ют на вегетационный период растений (число дней в году с температурой воздуха выше 5,6 С на уровне 1,25 м от поверхности). Подавляющее большинство других ритмов, известных в хронобиологии (месяц, 260 дней, 2 года и т.д.), синхронизировано с гармониками вариации солнечной активности (11-летний цикл). В качестве меры солнечной актив- ности используют числа Вольфа. По ним начиная с 1749 г. выделены 11-лет- ние циклы солнечных пятен. Эти циклы являются частью сложного компле- кса 22-летних магнитных флуктуаций и коррелируют с изменениями средних величин потоков видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излуче- ний и вариациями давлений. В максимуме солнечной активности верхние слои атмосферы Земли нагреваются и расширяются, появляются полярные сияния, изменяется конфигурация магнитного поля Земли, происходят из- менения озонового слоя Земли, погоды и климата. За период с 1645 по 1715 г. было зарегистрировано очень небольшое число солнечных пятен, а регулярные циклические вариации практически отсутствовали. Это был пе- риод солнечной минимальной средней активности (Маундеровский мини- мум). Маундеровскому минимуму соответствовал наиболее суровый период холодной погоды на Земле (малый ледниковый период с XVI по XVIII в.). Непосредственной физической причиной этого явления может быть измене- ние структуры конвекции на Солнце. Так как солнечная активность влияет на климат и погоду, важнейшгк ее циклы просматриваются в показателях почвообразования и урожайности. Так, производство пшеницы в мире модулировано II-летним и 22-летним циклами солнечной активности. Амплитуда колебаний составляет 10—20% 190
Гюва 6. Космогенные опасные процессы урожайности в зависимости от технического оснащения страны. При этом в северном полушарии наибольшая урожайность коррелирует с максимума- ми солнечной активности, а в южном — наоборот, с минимумами (рис. 6.5). Рис. 6.5. Изменения прироста урожайности многолетних трав (1), зерновых к1, зьтур (2), валового производства молока (3) и годового у юя молока на фураж- чую корову (4) в сопоставлении с солнечной активностью (5) (по Д.И. Маликову] Колебания численности экосистем тоже синхронизированы с солнеч- ной активностью. Так, объем заготовок пушного зверя в Канаде коррели- рован с определенными фазами солнечной активности (рис. 6.6, 6.7). Рис. 6.6. Ход изменения магнитной возмущенное™ (1), урожайности хвойных де ревьев (2) и численности белки на северо-западе СССР (3) (Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г., 2000] 191
Pa tde i 11. Опасные природные процессы Рис. 6.7. Заготовки зайца-беляка в Якутии (нижняя кривая) и солнечная ак- тивность (верхняя кривая). Кривые сдвинуты по фазе на 5 лет [Мизун Ю.В., Ми- зун Ю.Г., 2000| То же самое относится и к человеческому обществу. Сейчас известны статистические данные, указывающие на увеличение числа случаев ослож- нений при родах при возрастании уровня геомагнитной возмущенности. Причем в высоких широтах эта зависимость выше. Здесь мы сталкиваемся не с ритмом, а с прямым модифицирующим и повреждающим воздействи- ем электромагнитных возмущений на раннем этапе развития организма. Так, риск заболевания шизофренией статистически значимо коррелирует с уровнем солнечной активности в период внутриутробного развития. Этим же фактором принято объяснять массовые миграции живых орга- низмов к «месту своей гибели». Стрессовое состояние и изменение функ- ционирования организма, индуцированные солнечной активностью, толка- ют животных на этот шаг (миграции леммингов, саранчи, массовая гибель оленей, зайцев и др.). Вот несколько примеров. На севере Скандинавии в угрожающих масштабах увеличивается число мышей-пеструшек (леммингов), наводняющих все вокруг в своем безоста- новочном марше смерти. Сотни тысяч этих черно-рыжеватых арктических животных нескончаемым потоком передвигаются к югу. По дороге они ты- сячами гибнут в озерах, реках и, наконец, в море... Такие похожие на самоубийство походы пеструшки совершают почти регулярно раз в несколько лет. Обычно робкие, незаметные создания ста- новятся чрезвычайно агрессивными хищниками, уничтожающими на сво- ем пути все и вся. И это их смертоносное шествие не имеет себе равных в животном мире. Самые крупные походы пеструшек наблюдались в 1918 и 1938 гг Недав- нее переселение привлекло внимание встревоженных скандинавских вла- стей. Дело в том. что в ноябре 1999 г. во время такого похода пеструшек их 192
Глава 6. Космогенные опасные процессы насмерть давили машины на дорогах, загрызали собаки. Повсюду появились груды разлагающихся трупов животных, и возникла угроза эпидемий. Ученые так объясняют периодические «великие походы» пеструшек. Через определенные периоды численность животных увеличивается на- столько, что горная растительность, служащая им пищей, уже не в состо- янии прокормить их всех. И тогда с приходом лета начинается стихийное паническое бегство, которое невозможно остановить. Орды пеструшек уст- ремляются по маршрутам, ведущим к морю. Они заполняют города и се- ления, уничтожая посевы, загрязняя местность и отравляя реки и озера. В 1956 г. (при очень высокой солнечной активности) неисчислимые полчища обезумевших белок двинулись на север, где их ждали холод, голод и смерть. Они переплыли разлившийся Амур, преодолели высокие горы и даже пытались пересечь вплавь Татарский пролив! Лапки у белок кровото- чили, шерсть была стерта, но они шли и шли в одном направлении, не об- ращая никакого внимания на людей и препятствия. Через некоторые селе- ния проходило до 300 белок в час, а двигались они примерно со скоростью 30 км в сутки. И каждая белка несла на себе сотни клещей, зараженных ви- русом энцефалита. В 1957 г. в Приморье вспыхнула эпидемия энцефалита — клещи с бе- лок перебросились на людей. В 1929 г. случилось очередное нашествие саранчи из Афганистана в Ферганской долине. Саранча образовала многокилометровые живые тучи. Насекомые падали на землю в несметных количествах. Ими покрылось все: поля, дороги, мосты, деревья и крыши домов. Огромные площади оказались зараженными яйцами саранчи. Ею была уничтожена растительность на пло- щади в миллионы гектаров. Саранча повторяла нашествие на юг Туркмении еще несколько раз. В прошлом веке саранча совершила 9 нашествий с периодом, равным 11 го- дам. За 60 лет XX в. она 6 раз достигала южных границ Туркмении. Все эти ситуации были вызваны стрессом, когда на организм дейст- вуют чрезвычайно сильные раздражители внешней среды. Эти выводы базируются на исследованиях, выполненных на животных. Один из опы- тов состоял в следующем. Животных поместили в комфортные условия: полный достаток в качественных кормах, немногочисленные стада (опыты делали с оленями). Их содержали на острове, чтобы исключить влияние других внешних факторов (эпизоотии). Известно, что многие обменные процессы в организме контролируют надпочечники. При наступлении очень высокой солнечной активности (в 1957 г.) у молодых оленей было установлено перерождение надпочечников и их увеличение. Этот дефект охватил примерно 80% всех наблюдаемых животных. Результат этого опы- та не замедлил сказаться: за 3 месяца следующего года примерно 30% оленей погибли. 31* 1707 193
Раздел //. Опасные природные процессы Наблюдения за зайцем-беляком показали, что смертность этих жи- вотных обусловлена «шоковой болезнью». При этом в крови снижается содержание гликогена и сахара. В состоянии стресса происходят измене- ния в надпочечниках, зобной железе, селезенке. В результате плодовитость самок резко уменьшается, а также увеличивается смертность в молодом возрасте. Роль стрессовых состояний в регулировании численности животных, по-видимому, очень велика. Но раньше специалисты считали, что посредст- вом стрессов регулируется численность животных данного вида независимо от действия внешних факторов. Другими словами, считалось, что стрессы являются внутренним регулятором. Однако исследования, подобные тем, о которых сказано выше, доказали, что состояние стресса у животных насту- пает и при благополучном положении внутри популяции. Адаптация Адаптация организма к влияниям окружающей сре- ды обеспечивается прежде всего путем соответствующих колебаний функци- ональной активности органов и тканей. Степень временной адекватности между моментом действия раздражителя и началом развертывания нейтра- лизующей его приспособительной реакции определяется уровнем адаптаци- онных возможностей организма в каждом конкретном случае. Материаль- ные ресурсы органа, вполне достаточные, но не реализованные вовремя, т.е. синхронно с действием патогенного фактора, не могут предотвратить раз- рушительного влияния последнего. В ответ на действие патогенного фактора организм вырабатывает ритм регенераторной реакции. Он адекватен частоте действия повреждающего агента. Можно говорить не только об адекватности ритма физиологической регенерации различных структур, но и о способности организма менять их интенсивность и тем самым выравнивать соотношения между скоростями этих двух противоположных процессов. В этой подвижности регенераторных процессов заложен один из важ- нейших механизмов быстрого адекватного приспособления организма к меняющимся условиям работы как в норме, так и при различных патоло- гических состояниях. Однако как бы совершенна ни была адаптация орга- низма к действию того или иного раздражителя, она является состоянием не стабильным, а колеблющимся, т.е. таким, которое периодически осла- бевает, а затем вновь устанавливается на высоком уровне. Особенно четко это проявляется при хронических болезнях человека, течение которых, как известно, характеризуется периодическим чередованием обострений и ре- миссий. 194
Гiaea 6. Космогенные опасные процессы В высоких широтах при значительных и частых возмущениях ГМП сбои в ритмике восстановительных процессов могут привести к плачевным результатам. Процесс адаптации предполагает, что частота воздействия, а также его сила должны быть таковыми, чтобы между каждыми очередными воздейст- виями в соответствующем органе завершался регенераторный процесс и восстанавливалась исходная структура клеток. Если частота воздействия су- щественно превышает скорость внутриклеточных сепаративных процессов, то от воздействия к воздействию восстановительный процесс не заверша- ется, непрерывно нарастает дефицит ультраструктур, и клетка, в конце кон- цов, погибает. Нехватка времени для полного структурного восстановления между очередными воздействиями физиологического или патогенного раз- дражителя — одна из важнейших причин постепенно нарастающего «утом- ения», а затем и срыва функционирования клеток различных органов и систем (в частности, нервной). Правда, при увеличении частоты действия ра .дражителя соответственно возрастает и интенсивность восстановитель- ного процесса, но это продолжается не безгранично, и на каком-то этапе • ступает структурно-функциональное истощение органа. Особого внимания в этом отношении заслуживает нервная система как высший координирующий аппарат организма. И.М. Сеченов в 1952 г. вы- сказал мысль: «Источник ощущения усталости помешают обыкновенно в работающие мышцы; я же помещаю его исключительно в центральную нервную систему». Действительно, не только в работающем органе, но и клетках нервных центров происходят циклические изменения ультра- структур, характером и темпом которых в значительной мере определяют- с интенсивность и объем деятельности на периферии. В связи с этим при контроле за ходом адаптации организма к тому или иному воздействию необходимо иметь в виду реакцию не только органа-мишени, но и нерв- ной системы. Исследования графика солнечной активности позволили выявить бо- шинные климатические ритмы. Так, Эдди и другие ученые показали, до существуют периоды 400. 660 и 1200 лет. Они попытались связать их с • лиматическими изменениями и соответственно с периодами расцвета и ибели цивилизаций на Земле. Цивилизация, развивавшаяся в благоприят- ных условиях в течение длительного времени (около 400 лет) за счет нарабо- знной прогрессивной технологии земледелия, процветала. Но с наступлени- -м длительного периода неблагоприятного климата (около 800 лет) возникал _ лологический и культурный кризис, который в конечном счете приводил к ее гибели и смене местоположения нового очага цивилизации. Эти же сиоенности хорошо коррелируют с индексом почвообразования. Таким образом, намечается следующая схема влияния солнечной актив- • <ги на биосферу: возмущения на Солнце приводят к возмущению меж- шетной среды, которая передает возмущение магнитосфере и ионосфере 195
Реиде i fl. Опасные природные процессы Земли. Все это приводит к изменению напряженности и спектра электро- магнитных полей на поверхности Земли, к сдвигам в физиологических и ге- нетических показателях организма. Сегодня известно, что во время (или до, или после — у разных людей по-разному) магнитных бурь не только ухудшается самочувствие «здоровых людей», но резко обостряется течение хронических заболеваний, что не- редко заканчивается летальным исходом. Известно также, что только одна так называемая вспышка на Солнце «аукается» как минимум 4000 челове- ческих жизней, оборванных неожиданно или, как пишут врачи, «скоропо- стижно» (рис. 6.8). Рис. 6.8. Сопоставление смертности в России с 1876 по 1924 г. (синяя линия) и солнечной активности (красная линия) [Чижевский Л.А., 1924] Магнитное поле Земли находится также во взаимодействии с магнит- ными полями Солнца и планет, но из-за удаленности этими влияниями можно пренебречь. Влияние солнечной активности на атмосферу проявляется прежде всего проявляется в изменении ее циркуляции. Если в одном месте воздух будет нагрет больше, чем в другом, то его давление также изменится соответству- ющим образом: где больше температура газа — там больше и его давление. Давление — это сила. Она толкает массы воздуха в те места, где давление меньше. В результате происходит такое движение газа, которое стремится вы- равнять образовавшийся дисбаланс. Движение воздуха в атмосфере происхо- дит по этой же причине. Вокруг каждого полюса имеется область тяжелого холодного воздуха. Форма и размеры этой области зависят и от подстилающей поверхности (океан или суша). Этот холодный воздух постоянно атакуется теплым сухим воздухом, который идет с юго-запада. Между ними образуется граница, ко- торая как будто гофрирована. Это своего рода «юбка», которая быстро вра- щается вокруг полюсов. Дело в том, что ветер зависит от подстилающей по- верхности и от формы суши. Цепи гор мешают движению воздуха. Поэтому он подходит к приполярной холодной области не одинаково со всех напра- влений, а струями, волнами. Таким образом, и образуется волнами «гофре 196
Глава 6. Космогенные опасные процессы холодной полярной «юбки». Эти волны тем интенсивнее, чем больше сила, которая их гонит, т.е. чем больше перепад температуры между экватором и полюсами. Приполюсные вихри холодного воздуха оказывают большое влияние на атмосферную циркуляцию, т.е. на формирование погоды в разных мес- тах. Формирование погоды в конкретном месте связано с прохождением там областей повышенного или пониженного давления. Процессы в гидросфере непосредственно связаны с атмосферными про- цессами (количеством осадков и т.д.). Циклические изменения в атмосфере и гидросфере зависят от изменения солнечной активности, изменения при- тивообразуюших сил с периодом 17—19 лет и циклических изменений ра- диуса перемещения оси вращения Земли с периодом 6—7 лет. Было проведено исследование годового стока рек в Средней Азии и Сибири в зависимости от солнечной активности. Даже простое сопостав- ление тех и других данных показало, что между ними имеется хорошая со- гласованность. Была сопоставлена интенсивность меридиональной и зональной цирку- ляций атмосферы с солнечной активностью за продолжительный период времени. Оказалось, что колебания зональной составляющей атмосферной циркуляции, т.е. колебания ветров в направлении запад — восток увеличи- вается каждый раз (без исключения) при усилении солнечной активности. Для доказательства этого были использованы данные по различным долгот- ным секторам (Сибирский, Тихоокеанский, Американский, Атлантический секторы), а суммарные показатели взяты по всему Северному полушарию. Оказалось, что практически во всех долготных секторах происходят однотип- ные (однофазные) изменения атмосферной циркуляции, т.е. они носят гло- бальный характер. Колебания меридиональной циркуляции связаны с солнечной актив- ностью менее четко, чем с зональной. В одних случаях во время высокой солнечной активности наблюдаются и наибольшие колебания меридио- нальной атмосферной циркуляции. В других случаях они приходятся на вре- мя минимальной солнечной активности. Но это не говорит о каком-либо произволе. Такие переходы от одной зависимости к другой (фазовые пере- ходы) происходят тогда, когда наблюдается изменение тенденции затухания показателей атмосферной циркуляции на тенденцию их роста и наоборот. Мы встречаемся с переломами хода земных процессов. Они происходят ча- ще всего при неожиданных, неплановых, отличных от нормы изменениях солнечной активности. Воздушные массы, приходящие с запада (с Северной Атлантики и Сре- диземного моря через Европу), приносят в район Сибири осадки, в резуль- тате которых водоносность рек увеличивается. Если приток этих воздушных масс по каким-то причинам уменьшится, то понизится и водоносность рек этого региона. Помешать этому притоку западных воздушных масс могут 197
Разде i //. Опасные природные процессы движения холодного арктического воздуха, т.е. усиление меридиональной циркуляции (по направлению от полюса к средним широтам). В определен- ные эпохи зональная циркуляция (западные ветры) очень хорошо развита, а в другие — она подавлена. Так, до 1928 г. зональная западная циркуляция Сибирского сектора была подавлена. После же 1928 г. она развивалась очень выражение. Поэтому в этот период прослеживается очень четкая связь ме- жду зональной циркуляцией и стоком рек этого региона. До 1928 г. такой четкой связи не наблюдалось. Поскольку холодные воздушные массы из Арк- тики блокируют западную циркуляцию, тем самым они приводят к уменьше- нию водоносности рек этого региона. До 1933 г. повторяемость меридиональ- ной циркуляции была в пределах нормы. За этот период и прослеживается четкая связь между ее усилением и уменьшением водоносности рек Сиби- ри. После того как меридиональная циркуляция ослабла (начиная с 1934 г.), она больше не смогла препятствовать поступлению в регион влажного те- плого воздуха с запада. Поэтому она перестала оказывать влияние на во- доносность рек Сибири. Следует иметь в виду, что не всегда холодный арктический воздух пе- рекрывает путь влажному теплому западному ветру, который несет осадки. При их соприкосновении возможна и такая ситуация, когда от воздейст- вия холодных масс арктического воздуха быстрее и интенсивнее выпадают осадки из теплого западного воздуха. О таком исходе свидетельствуют дан- ные о водоносности рек в Восточной Сибири. Такая ситуация может реа- лизоваться в теплый сезон года, но не зимой. Эти факты говорят о том, что нельзя искать только непременно пря мые связи между солнечной активностью и земными процессами, в част- ности, водоносностью рек. Если такой прямой связи нет, это не значит, что солнечная активность не влияет на сток рек. Поскольку водоносность рек зависит от солнечной активности посредством атмосферной циркуляции, возможны различные варианты этой связи в зависимости от того, какая со- ставляющая атмосферной циркуляции преобладает: зональная или мериди- ональная. Когда преобладает зональная составляющая атмосферной цирю ляции, именно она определяет водоносность рек Сибири. В эпохи, когда она подавлена, преобладает меридиональная циркуляция атмосферы, водонос- ность рек зависит от нее: в одних случаях ее усиление понижает водонос ность, перекрывая полностью дорогу теплому влажному западному ветру, . в другом случае (летом) — способствует образованию осадков из западных воздушных масс. В разных регионах Земли зависимость хода природных процессов о солнечной активности различная. Солнечная активность оказывает влияние на водоносность рек путе‘. изменения количества осадков, которое, в свою очередь, определяется ' рактером атмосферной циркуляции. Для разных регионов эта зависимое будет различной. В одних увеличение солнечной активности приведет к 198
Гюва 6. Космогенные ы уменьшению водостока рек. Это справедливо для Средней Азии. В этом слу- чае говорят, что эти величины изменяются в противофазе (сдвиг фаз ни 180 ). т.е. максимум солнечной активности совпадает с минимумом водоносности рек. Такая же зависимость (в противофазе) между солнечной активностью и водостоком рек имеет место и для Зауралья, и для Восточной Сибири (река Лена). Более сложная зависимость — на юге Восточной Сибири (река Анга- ра, верхний Енисей, озеро Байкал), а также в Западной Сибири. Здесь в разные эпохи развития атмосферной циркуляции зависимость была разная. Так, в те эпохи, когда преобладает движение теплых воздушных масс с за- пада (т.е. 1928 г.), водоносность рек в Западной Сибири и на Дальнем Вос- токе изменялась синфазно с изменением солнечной активности, т.е. макси- муму одной величины соответствовал максимум другой, а в бассейнах озера Байкал и реки Енисей сдвиг по фазе составил 90' Прогноз неблагоприятных геофизических обстановок на Земле и превентивные мероприятия В связи с магнитными и ионосферными бурями остро встает проблема их прогноза. Для ионосферных прогнозов в мире работает сеть (больше 100) станций, зондирующих ионосферу. Несколько центров обрабатывают эту информацию. Это прежде всего прогноз содер- жания свободных электронов, концентрация которых связана с частотами отражения радиоволн. Для этого изучают критические частоты слоев F1, F2, Е. Для составления ионосферных прогнозов используется гелиофизиче- ская карта, на которой нанесена ситуация на Солнце в течение одного обо- рота (флоккулы, хромосферные вспышки, солнечные пятна, волокна, фа- келы). Хромосферные вспышки указываются в координатах, во времени и по интенсивности. Краткосрочные (на несколько дней вперед), долгосрочные (на месяц, квартал и год) и сверхдолгосрочные (многолетние) прогнозы солнечной и магнитной активности составляются в специальных прогностических цен- трах и используются затем при составлении уже собственно медицинского прогноза геомагнитной обстановки, или, говоря высоким стилем, «косми- ческой погоды» на Земле. Прогнозы сообщаются по средствам теле- и радиовешания и публику- ются в газетах. Людям, чувствительным к гелиофизическим воздействиям, рекомендуется перейти на спокойные режимы работы. В Японии в целях снижения риска ДТП некоторые таксисты не выпускаются на трассы в та- кие периоды. В случае недомогания необходимо осуществить медикамен- тозную коррекцию состояния здоровья или обратиться к врачам. 199
Раздел И. Опасные природные процессы 6.2 Воздействие космического вещества. Кометы, астероиды, метеориты, метеорная пыль. Поражающие факторы. Стратегия снижения риска Метеорные потоки, хорошо видимые ночью при чистом небе, не только представляют собой красивое зрелище, но и прив- носят с собой значительное количество метеорной пыли, так как являются продуктом постепенного распада комет. Метеорная пыль снижает прозрач- ность атмосферы. В истории Земли возникали ситуации, когда случались кометные потоки, сопровождаемые метеорными потоками, существенным образом влияющие не только на погодные, но и на климатические особен- ности планеты. Падение более крупных вещественных образований (метеороидов, об- ломков комет, астероидов) сопровождается ударно-взрывными процессами и образованием кратеров. На поверхности Земли уже установлено около 156 кратеров импактного (ударно-взрывного) происхождения. Космосним- ки поверхностей Меркурия, Луны и ряда крупных спутников свидетельст- вуют о том, что данный процесс и на Земле имел гораздо более широкое распространение, но его следы скрыты интенсивными эрозионными процес- сами. Наличие на Земле кратеров размером более 50 км в поперечнике гово- рит о сильном воздействии таких процессов на атмосферу, погодные и кли- матические условия на Земле. Именно поэтому существует гипотеза о связи массовых вымираний биоты в истории Земли с импактными процессами. Метеоры (от греч. meteora — атмосферные явления) — вспышки и дру- гие явления в верхней атмосфере Земли, вызванные вторжением в нее с космической скоростью (12 км/с и выше) твердых частиц или тел из кос- моса (рис. 6.9). Они бегут в своих кругах астральных, Пока неведомых и недоступных нам... Порой одни из них в бессменности движенья Скрестят свои пути с орбитою земной И, слепо верные закону притяженья, Свергаются в наш мир для участи иной П.Л Драверт
Глава 6. Космогенные опасные процессы Рис. 6.9. Вид метеоров [фото Валли Пахолка; сайт: http://www.inauka.ru/pho- tos/article37282.html] Вследствие взаимодействия с атмосферой метеорные тела обычно пол- ностью сгорают, что сопровождается свечением и ионизацией атмосфер- ных газов. Яркие метеоры называются болидами. Болид — это летящий огненный шар. Болиды разрываются на высоте 30—40 км, на высоте 22 км перестают светиться и падают на Землю как темные несветяшиеся тела. В 1833 г. был отмечен звездный дождь до 20 ме- теоров в секунду, примерно 70 тыс. метеоров за час (Леониды). В 1933 г. наблюдались Дракониды (радиант в созвездии Дракона) — 350 метеоров в минуту. Метеоры начинают светиться на высоте 100—120 км и гаснут на вы- соте 80—85 км. Спорадические метеоры — каменные, а метеорный дождь чаше всего бывает железный. Метеориты — это малые тела Солнечной системы, выпадающие на Зем- зю. Ежедневно на Землю падает 5 или 6 метеоритов (2000 в год), но нахо- дят только 2—3 метеорита в год. Из найденных метеоритов 66% — железные. Происхождение метеоритов — пояс астероидов (осколки планеты, погибшей при катастрофе между Марсом и Юпитером) и обломки комет. Комета Би- э.та в 1846 г. расчленилась на 2 части, в 1852 г. наблюдалось также 2 части, а в 1872 г. появились метеоры с орбитой, сходной с орбитой кометы Биэла. Вес метеоритов колеблется от нескольких десятков граммов до несколь- ких тонн. Например, метеорит Геба, найденный в Намибии (Африка) в 1920 г., имел объем 9 м’ и весил 60 т. Некоторые ученые считают метеори- ты своеобразным «космическим мусором», оставшимся со времен образо- вания Солнечной системы. При падении на Землю больших метеороидов со скоростью более 2,5 км/с образуются метеоритные кратеры. Они представляют собой чашеобразные 201
Раздел 11. Опасные природные процессы углубления в грунте с валом по краям. Размеры кратера (глубина и диа- метр) зависят от скорости и угла падения метеорита (рис. 6.10). Рис. 6.10. Схема взрывного воздействия метеорита [Кукал 3. Природные каз | строфы. 1985. С. 185] Метеориты постоянно бомбардируют поверхность Земли и планеты зем- ной группы (Луну. Марс и др.). По подсчетам, ежегодное количество метео ритного материала, выпадающего на поверхность Земли, достигает 200 т, н в подавляющем большинстве это мелкая пыль. В настоящее время основным источником метеоритов для научно анализа являются Антарктида, пустыни Западной Австралии и Намибш Среди метеоритов, найденных в ледяном покрове Антарктиды, есть камеи ные осколки, очень похожие на образцы, доставленные с Луны, которые как полагают планетологи, были выбиты из поля ее тяготения ударявгш ми по ее поверхности астероидами примерно 100 тыс. лет назад. Еще более интересны метеориты, прибывшие к нам с Марса. Интересы • они своим возрастом — около 1,3 млрд лет — и присутствием капелек воды Опасны ли метеориты для человека? Скорее нет. Вот примеры, подтве[ ждаюшие это. В 1836 г. в результате падения метеорита в Бразилии был. убиты овцы, в 1911 г. в Египте убита собака, в 1684 г. в Тобольске проб 202
Гюва b. Космогенные опасные процессы купол церкви, в 1927 г. в Японии камешек запутался в складках одежды (вес метеорита составлял несколько граммов). В исторической памяти не зафи- ксировано гибели людей от метеоритов, хотя случаи близкого падения бы- ли в Древней Греции. Так, во времена Перикла (в 468 г. до н.э.), жители многих областей Греции в течение 75 дней наблюдали огромное небесное тело, напоминавшее своими очертаниями огненное облако, которое, появив- шись в западной части небосклона, двигалось по ломаной зигзагообразной траектории, пока не взорвалось над городом Херсонесом. После долгих по- исков жители Херсонеса обнаружили недалеко от реки Эгоспотама лежащий в глубокой яме (может быть, образованной в момент удара метеорита) закоп- ченный камень величиной с мельничный жернов. Его, конечно же, вытащи- ли и затем в течение многих сотен лет показывали путешественникам как святыню этих мест. В 1947 г. в Сихотэ-Алине зафиксировано падение железного метеорита. Он разорвался в нижних слоях атмосферы и упал на Землю в виде множест- ва обломков. Было обнаружено 106 воронок, наиболее глубокие воронки — 6 м. На месте падения собрали 23 т метеорного железа, общий вес оценива- ется в 100 т. Кратеры, возникшие от падения кусков метеорита, невелики, так как скорость падения была небольшой. Эти кратеры можно отнести к хдарным и ударно-взрывным (рис. 6.11). Вторая стадия • . 5° Вторая стадия Первая стадия Тыловая часть главного эллипса рассеяния "Южные воронки"- вторичный эллипс Третья стадия рассеяния обломков III стадии Кратерное поле- головная часть главного поля Вторичный эллипс рассеяния рассеяния рассеяния Рис. 6.11. Схема падения Сихотэ-Апиньского метеорита (модепь института ГЕОХИ РАН) 203
Разде i II. Опасные природные процессы Кратеры Земли и планет На поверхности Земли найдено и достаточно досто- верно диагностировано около 140 метеоритных кратеров. Один из самых древних и крупных — кратер Маникуаган в провинции Квэбэк в Канаде. Его возраст — 200 млн лет, а диаметр — 100 км. Все планеты подвержены воздействию крупных метеороидов и астероидов. Об этом свидетельству- ют, например, вид поверхности Луны (рис. 6.12) и схема кратерирования Земли (рис. 6.13). Рис. 6.12. Вид кратера Аризона на Земле (слева) и лунных кратеров (справа) [Миттон С., Миттон Ж., 1995| Рис. 6.13. Схема кратерирования поверхности Земли [Фельдман В.И. Meteorite web site. 2001] 204
Г шва 6. Космогенные опасные процессы По данным отечественных исследователей метеоритных кратеров К.П. Флоренского, А.Т. Базилевского, В.И. Фельдмана и др., эпоха крате- рообразован ия, или кратерирования, поверхностей Луны, Марса и Мерку- рия была синхронной и относилась к рубежу примерно 4 млрд лет назад. Астероиды — это куски горной породы или льда, вращающиеся вокруг Солнца подобно малым планетам. Они образуют так называемый пояс ас- тероидов между Марсом и Юпитером (рис. 6.14, 6.16). Самый большой из них достигает чуть более 1000 км в поперечнике. Впервые астероид был обнаружен 1 января 1801 г. итальянским астро- номом Джузеппе Пиацци. Этот астероид, обнаруженный между Марсом и Юпитером, был назван Перерой, он имел размеры около 913 км. Рис. 6.14. Схемы орбит астероидов [Симоненко А.Н. Астероиды] 205
Разде i II. Опасные природные процессы Астрономы полагают, что в ближнем поясе астероидов курсирует не- сколько миллионов каменных глыб, средний размер которых составляет 20 км. Уже 150 из 10000 известных астероидов оказывались очень близки- ми к Земле, но поскольку все они небольшие по размеру, то реальной опас- ности для планеты и человечества не представляют. Астероидов размером до I км насчитывается 250 млн. Они неправильной формы, похожи на об- ломки (рис. 6.15). Астероид размером от 10 до 30 м сталкивается с Землей в среднем 1 раз в течение человеческой жизни. Реальную опасность представляют астероиды размером 1 км, которые врезаются в Землю в среднем 1 раз в 100 тыс. лет. Вероятно, именно в результате столкновения с таким астероидом на рубеже мелового и палеогенового периодов, т.е. 65 млн лет назад, вымерли динозав- ры, весившие более 30 т. Рис. 6.15. Астероид [Миттон С., Миттон Ж. 1995] Тунгусский метеорит, который до сих пор одними считается крупным астероидом, а другими чуть ли не инопланетным космическим кораблем, мог упасть не в малонаселенной сибирской тайге, а в густонаселенной Ев- ропе, и это привело бы к экологической катастрофе в августе 1908 г. В настоящее время разработана международная программа вплоть до 2007 г., в рамках которой ближайшие к Земле астероиды со всей возмож- 206
Гюва 6. Космогенные < ча процессы ной детальностью будут изучены. Но пока астероиды, даже самые близкие, пролетают «рядом» с Землей на расстоянии примерно в 17 000 км. Рис. 6.16. Основной пояс астероидов. Астероиды этого пояса вращаются на круговых орбитах между Юпитером и Марсом. Некоторая часть астероидов враща- ется по эллиптическим орбитам, как это показано на рис. 6.14 [Миттон С.. Мит- тон Ж., 1995] Второй пояс астероидов — пояс Койпера — открыт недавно и распо- лагается за планетой Плутон (рис. 6.17). О поведении космических тел это- го пояса пока ничего не известно. 207
Раздел II. Опасные природные процессы Рис. 6.17. Схематическое изображение наиболее крупных астероидов пояса Кой- пера [Сурдин В.Г., 2003 http://astro.physfac.bspu.secna.m/pub/article.html?id=826| Кометы представляют собой остаточный материал, образовавшийся при зарождении Солнечной системы. Кометы состоят из различных видов льда замерзших воды, аммиака и углекислого газа, в которые заключены песочная пыль, крупные камни и ку- ски металлических дифференпиатов. Рис. 6.18. Комета Галлея, сфотографи- рованная 19 марта 1986 г. с острова Ре- юньон в Индийском океане [Балсин- гер Г Фехтис X., Гайс И.. 1988] Таким образом, кометы состоят из слабо связанных между собой частей и легко распадаются. При приближении к Солнцу пол действием света и тепла кометы выде- ляют газ и пыль, образуя так называ- емый хвост кометы (рис. 6.18), длина которого растягивается на сотни ты- сяч километров (это при том, что яд- ро кометы может иметь диаметр все- го в несколько километров). Самое яркое место — кома (об- лако газа и пыли, окружающее яд- ро). Позади комы находятся пря- мой. голубоватый ионный хвост и искривленный пылевой хвост. Ион- ный хвост — результат взаимодейст- вия кометного газа и солнечного ве- тра (потока заряженных частиц, ле- тящих от Солнца), пылевой хвое образуется под воздействием свето- вого давления на частицы кометно пыли. 208
Глава 6. Космогенные опасные процессы С удалением от Солнца хвост уменьшается и пропадает. Хвост кометы всегда направлен от Солнца. В комете различают: ядро, голову (кома) и хвост. Хвост и кома комет образуются за счет вещества, выделяемого из яд- ра кометы путем испарения и ионизации. Предполагается, что родиной ко- мет является облако ООРТА — предполагаемое облако из объектов, кото- рые могут стать кометами. Оно полностью окружает Солнечную систему на расстоянии примерно 1 световой год. Кометы появляются на небе в среднем 1 раз в 10 лет. Они появляют- ся в любой точке неба, передвигаются в любом направлении и меняют как яркость, так и форму. Однако нельзя исключать возможность изменения орбиты любой кометы в связи с близким пролетом к массивной планете (например, к Юпитеру) (рис. 6.19). Рис. 6.19. Изменение орбиты кометы из-за влияния массивной планеты при близ- ком пролете кометы Из-за такого «поведения» кометы нередко пугали людей. Аристотель утверждал, что кометы вызывают сильные бури и засухи. Исаак Ньютон доказал математически, что все кометы движутся вокруг Солнца по силь- но вытянутым орбитам и управляются силой солнечного тяготения. В на- шем небе кометы видны, когда они оказываются вблизи Солнца. Друг Ньютона — Эдмунд Галлей определил орбиты комет и, в частно- сти, предсказал появление кометы в 1758 г., которую затем назвали его име- нем. Комета появляется с периодом 75—76 лет: в 1607, 1682, 1758 гг. и др. Не исключено, что эту комету видели в 240 г. до н.э., а китайцы — и того 14 Заказ № 1707 209
Раздел //. Опасные природные процессы ранее: в 1059 г. до н.э. Последнее ее появление зафиксировано в 1985— 1986 гг., а следующее ожидается в 2061 г. (рис. 6.20, 6.21). Рис. 6.20. Схема орбиты кометы Галлея [Войцеховский А.И.. 1990] Рис. 6.21. Схема пульсаций сближений кометы Галлея с Землей [Войцехов- ский А.И., 1990| В 80-е годы атлантолог Игнациус Донелли отметил ряд интересных фактов, совпадающих с периодами сближения кометы Галлея с Землей: 1. Древнегреческий солнечный календарный цикл — 1460 лет (период Сотис, в течение которого первый утренний восход Сириуса проходил по всем дням года). Один из циклов завершился в 1322 г до н.э. Если отсчи- тать от этого года 7 циклов назад, то получится 11 542 г. до н.э. 210
Глава 6. Космогенные опасные процессы 2. Древнеассирийский календарь состоял из лунных циклов по 1805 лет. Конец одного из таких циклов приходился на 712 г. до н.э. Отложив 6 ци- клов назад, получим 11 542 г. до н.э. 3. Древнеиндийский лунно-солнечный календарь состоял из 2850 лет. «Железный век» индусов (эра Кали юга) начался в 3102 г до н.э. Отсчитав 3 цикла назад, получим 11 652 г. до н.э. 4. У древних майя начало календарной эры приходится на 3373 г до н.э., а календарный цикл составляет 2760 лет. Отложив 3 цикла назад, получим 11 653 до н.э. 5. На рубеже 11 800—11 600 лет назад резко упала численность населения. 6. Последний ледниковый период в Европе закончился примерно 12 000 лет назад. 7. Около 10—12 тыс. лет назад вымерли арктические слоны — мамон- ты, арктические бизоны, лошади, арктические сайгаки и яки, азиатские овцебыки, шерстистые носороги, львы, бурундуки, бобры и многие другие представители животного и растительного мира. 8. Прорыв теплого течения Гольфстрим в холодные воды Ледовитого океана произошел в это же время. 9. Предполагаемая гибель Атлантиды 11 542 г. до н.э. (по Платону). 10. Примерно в это же время возникли тектиты Австрало-Азиатского пояса, свидетельствующие об оледенении в этих местах. 11. В этот же период отмечены следы массовых глобальных пожаров. 12. Последний экскурс магнитного поля Земли состоялся 10—12 тыс. лет назад. Семь последних появлений кометы Гаг гея наблюдались в 1531, 1607, 1682, 1758, 1835, 1910, 1986 гг. Последнее минимальное сближение кометы Галлея с Землей произошло в 837 г. (расстояние составило всего лишь 6 млн км. а 178 пролетов назад, возможно, даже был пролет на расстоянии 400 тыс км, по данным польско- го астронома Л. Зайдлера). Как ни странно, но примерно к 830 г. многие го- рода майя были разрушены почти одновременно. Известно, что после убийства Цезаря (44 г. до н.э.) во всех концах Рим- ской империи в течение недели наблюдалась яркая комета: вторжение нор- маннов в Южную Англию в 1066 г. совпало с появлением в небе кометы Галлея. Подобное совпадение наблюдалось и в 1453 г., когда пал Констан- тинополь. Кометам обычно дают название по имени их первооткрывателей: на- пример, Энке (открыта в 1786 г.), Донати (в 1858 г.), Когоутека (в 1973 г.). По хроникам первое появление кометы Галлея — 240 г. до н.э. (ее видели китайцы). Короткопериодические кометы: Энке — Баклунда (период 3,3 года), Вильсона — Харрингтона (2,3 года, последний раз ее видели в 1949 г.) 20 комет имеют период обращений от 100 до 1000 лет; 30 комет — период обращения 1000—10 000 лет. з* 211
Раздел И. Опасные природные процессы 6.3 Гравитационное влияние космоса Ритмика гравитационных воздействий не вызывает никаких сомнений. Широко известны приливные явления в океанах под действием Луны. У прибрежных морских животных часто наблюдаются приливные ритмы, т.е. периодические изменения активности, синхронизи- рованные с подъемом и спадом воды. Приливы обусловлены лунным при- тяжением. и в большинстве регионов планеты происходит два прилива и два отлива в течение лунных суток (периода времени между двумя после- довательными восходами Луны). Поскольку Луна движется вокруг Земли в том же направлении, что и наша планета вокруг собственной оси, лунные сутки примерно на 50 мин длиннее солнечных, т.е. приливы наступают ка- ждые 12,4 ч. Приливные ритмы синхронизируют ритмы ряда морских жи- вотных. Например, рак-отшельник прячется от света в отлив и выходит из тени в прилив; с наступлением прилива устрицы приоткрывают свои рако- вины, разворачивают щупальца актинии и т.п. Многие животные, в том чис- ле некоторые рыбы, в прилив потребляют больше кислорода. С подъемом и спадом воды синхронизированы изменения окраски манящих крабов. Многие приливные ритмы сохраняются, иногда в течение нескольких недель, даже если держать животных в аквариуме. Значит, по сути своей они эндогенные, хотя в природе «захватываются» и подкрепляются изменения- ми во внешней среде. У некоторых морских животных размножение коррелирует с фазами Луны и происходит обычно один раз (реже — дважды) на протяжении лун- ного месяца. Этот ритм эндогенный и, вероятно, возникает от «пересече- ния» 24-часового циркадного ритма с приливным, период которого соста- вляет 12,4 или 24,8 ч. Такое «пересечение» (совпадение) происходит с ин- тервалами 14—15 и 29—30 суток, что соответствует лунному циклу. Лучше всего известен и, вероятно, наиболее заметен среди приливных и лунных ритмов тот, что связан с размножением груниона — морской ры- бы, мечущей икру на пляжах Калифорнии. В течение каждого лунного ме- сяца наблюдаются два особенно высоких — сизигийных — прилива, когд Луна находится на одной оси с Землей и Солнцем (между ними или с про- тивоположной от светила стороны). Во время такого прилива грунион не- рестится, закапывая икринки в песок у самого края воды. В течение двх недель они развиваются практически на суше, куда не могут добратьс морские хищники. В следующий сизигийный прилив, когда вода покрыва ет буквально нашпигованный ими песок, из всех икринок в течение не- сколько секунд вылупляются мальки, тут же уплывающие в море. Очевид- 212
Глава 6. Космогенные опасные процессы но, что такая стратегия размножения возможна, только если взрослые гру- нионы чувствуют время наступления сизигийных приливов. Современные ученые также пристально исследуют различные параме- тры лунного влияния на различные системы человека (рис. 6.22). Предпо- лагается, что создаются различные по направлению гравитационные воз- действия Луны на кровеносную и лимфатическую системы человека. Широко известны приливные явления в океанах под действием Луны. Также вследствие приливных воздействий Луны геоид Земли испытывает систематические деформации. Например, при прохождении Луны уровень поверхности в районе Москвы поднимается на 30 см. Приливное воздей- ствие Юпитера на его спутник Ио вызывает подъем поверхности спутника более чем на 5 м, именно поэтому на стороне Ио, обращенной к Юпите- ру, действуют вулканы. Влияние Луны получило широкое мифологическое описание у многих народов мира. Анализируя взаимное расположение планет и светил относительно Зе- мли, космобиоритмолог изучает их совокупное влияние на Землю и ее Рис. 6.22. Схема положений Луны от- носительно тела человека в течение СПОК биосферу. Графический метод явля- ется основным для составления не- которых прогнозов (рис. 6.23). Солнце не является статическим центром системы. Под действием флу- ктуаций гравитационного поля планет оно описывает сложную траекторию вокруг условного более стабильного центра масс. Вариации гравитацион- ного поля Солнца могут быть описаны двумя составляющими: потенциальной и соленоидальной. Каждая из них содержит набор резонансных частот (ритмов), влияющих на Землю и био- сферу. Так, в работах Ю.В. Волкова показана коррелируемость резонан- сов соленоидального поля Солнца с изменениями климатов на планете и на качественном уровне отмечена вза- имосвязь более высокочастотных ре- зонансов с крупнейшими землетрясе- ниями планеты. Просматривается сла- бая связь вариаций потенциального поля Солнца с неглубокими сильны- ми землетрясениями, и почти нет свя- зи с глубокими землетрясениями. По- видимому, здесь существенную роль 213
Реиде t II. Опасные природные процессы играют реологические свойства земных пород и, как следствие, значитель- ный период релаксации напряжений. Рис. 6.23. Циклы (за 100 лет) Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона суммарная кривая всех циклов (жирная линия) Следует отметить, что Земля испытывает влияние Юпитера и Сатур- на каждые 30—35 лет, что отражается в смене преимущественно влажно,' и прохладного климата на сухой и теплый. Периоды «соединений» Юпи- тера, Марса и Венеры обусловливают циклы длительностью 4,2 года, а пе- риод «соединений» Юпитера и Марса является причиной хорошо извеез ной повторяемости погодных ситуаций с периодом 2,2 года. Климатические изменения на Земле за периоды примерно 10—1L" тыс. лет связаны с изменениями солнечной радиации за счет гравитацион- ных воздействий всей солнечной системы на кинематические параметр обращения и вращения Земли. В журнале Science от 13 апреля 2001 г. бы ла опубликована статья специалистов из Калифорнийского университе об изменениях климата на Земле, которые произошли между 20 и 25,5 м • лет назад. Тогда процесс глобального потепления и сокращения объеме льда в Антарктиде повернул вспять, и на Земле наступило временное по холодание. Авторы статьи утверждают, что эти процессы были связаны изменением орбиты Земли при ее движении вокруг Солнца. Гипотеза о связи между климатом и изменениями параметров орбиг Земли далеко не нова. Впервые она была выдвинута в 20-х годах XX в. ас 214
Глава 6. Космогенные опасные процессы трофизиком Милютином Миланковичем, который предположил, что цик- лические изменения некоторых параметров системы Земля — Солнце мо- гут вызывать существенные изменения климата на Земле. К этим параме- трам, от которых зависит климат, он отнес эксцентриситет орбиты Земли (т.е. степень ее эллиптичности), наклон оси вращения Земли относитель- но плоскости ее орбиты и прецессию оси вращения Земли. Эксцентриси- тет орбиты Земли меняется с периодичностью приблизительно 100 тыс. лет. Наклон оси вращения меняется в диапазоне от 22,1 до 24,5° на протя- жении 41 тыс. лет. В результате прецессии земная ось, медленно двигаясь по круговому конусу, совершает полный оборот за 21 тыс. лет. Но, по заявлению Джеймса Зачоса. руководителя коллектива авторов этой статьи в Science, некоторые результаты их исследований оказались до- вольно неожиданными. Около 23 млн лет назад произошло совпадение ми- нимального значения эксцентриситета земной орбиты и периода мини- мального изменения наклонения оси вращения Земли. Этот период длился около 200 тыс. лет. Тогда сезонные изменения климата на Земле были ми- нимальными. Орбита Земли была практически круговой, а наклон земной оси, который и ответственен за смену времен года, почти не менялся. При та- кой конфигурации разница в летних и зимних температурах на полюсах со- ставляла всего несколько градусов, в результате чего антарктические льды за лето не успевали таять, произошло заметное увеличение их площади. Следует также особо подчеркнуть, что кинематическое воздействие есть следствие гравитационного воздействия. Работами В. Кеппена. И. Имбри, Г.И. Кухла и К.И. Масолелла подтверждено, что период изменения накло- на земной оси или изменения характера прецессии земной оси составляет 41 тыс. лет, и эти изменения оказывают наибольшее влияние в высоких ши- ротах. Предварение равноденствия по эклиптике совершается за 26 тыс. лет. Изменение формы орбиты (эксцентриситета) составляет 100 тыс. лет. В по- следние годы установлено, что плоскость орбиты Земли тоже испытывает колебания с периодами 200, 425 и 1200 тыс. лет. Благодаря этим вариациям на Земле меняются широты и периоды получения максимальной солнечной инсоляции, что влияет не только на атмосферную циркуляцию и климат, но и на начало, продолжительность и характер ледниковых периодов. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вопросы для самопроверки 1. Какова специфика влияния электромагнитного и корпускулярного излучения на биоту и человека? 2. Какие уровни влияния вы можете выделить? 215
Раздел //. Опасные природные процессы 3. Как солнечная активность воздействует на космическую и пилоти- руемую технику? 4. Чем опасно импактное воздействие крупных космических тел? 5. Каково воздействие комет на Землю? 6. Какие формы гравитационных воздействий на Землю вы можете пе- речислить? 7. Каков механизм возникновения массовых заболеваний животных и людей? Рекомендуемая литература 1. Альварес У., Азаро Ф. Удар из космоса // В мире науки. 1990. № 12. С. 32-39. 2. Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987. 3. Будыко М.И. Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 4. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 5. Будыко М.И., Голицин Г.С., Израэль Э.Ю. Глобальные климатические катастрофы. М.: Гидрометеоиздат, 1986. 6. Владимирский Б.М., Нарманский В.Я., Темурьянц Н.А. Космиче- ские ритмы в магнитосфере-ионосфере, в атмосфере, в среде обитания, в биосфере-ноосфере, в земной коре / Под ред. проф. С.Э. Шноля. Симфе- рополь, 1994. 7. Войцеховский А.И. Виновница бед земных / Сер. Знание. Знак во- проса. М/ Знание. 1990. № 7. 8. Гудожник Г.С., Елисеева В.С. Глобальные проблемы в истории че- ловечества / Сер. Знание. Глобальные проблемы современности. М., 1989. 9. Иванов И.В., Лисецкий Ф.Н. Связь ритмов почвообразования с пе- риодичностью солнечной активности за последние 5 тысяч лет // ДАН. География. 1994. Т 334. № 2. С. 230—233. 10. Кац Я.Г., Козлов В.В., Полетаев А.И., Сулиди-Кондратьев Б.Д. Коль- цевые структуры Земли: миф или реальность. М.: Наука. 1989. II. Матвеев Л.Т. Теория обшей циркуляции атмосферы и климата Зем- ли. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 12. Мизун Ю.Г. Космос и здоровье. Как уберечь себя и избежать бо- лезней. М.: Вече, 1997. 216
Глава 6. Космогенные опасные процессы 13. Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г Тайны будущего. М., 2000. 14. Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981. 15. Миттон С., Миттон Ж. Астрономия. Оксфорд, 1995. 16. Полетавкин П.Г. Космическая энергетика. М.: Наука, 1981. 17. Хоуне Э.В. Хвост магнитосферы Земли // В мире науки. 1986. № 5. С. 16-25. 18. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М/ Мысль, 1976. 19. Шугрин С.М., Обут А.М. Солнечная активность и биосфера. Ново- сибирск: Наука, 1986.
КОСМОГЕННО-КЛИМАТИЧЕС- КИЕ ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Климатический фактор является одним из важнейших по степени влияния на биосферу. Справедливость этого утверждения подтверждает палеолетопись ис- тории Земли — корреляция некоторых глобальных массовых вымирании биоты с оледенениями и похолоданиями. В периоды оледенений происходили крупней- шие миграции животных и людей. Палеоклиматы определяли судьбы древних цивилизаций. Современные климатические изменения непосредственно затра- гивают нашу цивилизацию, кардинально влияя на погодные условия и рост ОПП. Понимание роли объективных и субъективных факторов в формировании современного климата должно стать основой стратегии безопасного бытия на планете. 7.1 Природа климатических циклов Основные факторы формирования климата Климат — это статистический ансамбль погодных состояний, обусловленных солнечной радиацией, ее преобразованиями в деятельном слое земной по- верхности и связанной с ними циркуляцией атмо- сферы и океанов, проходимых климатической сис-
Гlaea ~7. Kol иогенно-к шматические опасные природные процессы темой за периоды времени в несколько десятилетий. Под климатической системой понимается результат взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы, криосферы и биосферы. Звенья климатической системы обла- дают разными физическими свойствами, т.е. имеют различные простран- ственные и временные изменения ряда параметров. Атмосфера является наиболее подвижной средой, характеризующейся сложными циркуляционными особенностями. Однако в гидросфере, по- мимо океанических течений, образуются также вихреобразные кольцевые структуры, имеющие диаметр до 100 км и включающие массу воды, отли- чающуюся по свойствам от окружающей воды. Облачность атмосферы и поверхность моря динамически изменяют альбедо (отражательную способ- ность) и, следовательно, количество усваиваемой земной поверхностью сол- нечной радиации. Поступающая в атмосферу влага в результате испарения с водной и земной поверхности переносится воздушными течениями, кон- денсируется и снова выпадает на поверхность. Ее количество оценивается в 12—14 км3. Криосфера состоит из морских льдов, ледниковых льдов, снежного по- крова и зон мерзлоты. В современную эпоху объем льда в криосфере Земли равен около 24 х 106 км\ Ледники, морские льды и снежный покров занима- ют в среднем 10% поверхности Земли, т.е. около 59 х 1 (У км2. Общая площадь поверхности, занимаемой ледниками, составляет около 16 х 106 км2. Основная их масса приходится на Антарктиду, что составляет 90% площади всех ледни- ков земной поверхности. Площадь морских льдов составляет 26 х 10” км2 Литосфера — наиболее консервативная составляющая климатической системы, ее свойства меняются достаточно медленно под действием таких процессов, как почвообразование, ветровая и водная эрозия, опустынива- ние, залесенность и др. Однако теплопроводность и отражательная способ- ность могут меняться достаточно быстро из-за изменения увлажненности почвы при сельскохозяйственном производстве. Свойства биосферы определяются растительным миром, влияющим на поглощение солнечной радиации и отражательную способность, тепло- и влагообмен с атмосферой и влагообмен океана с континентом за счет сто- ка рек и ледников. Растительный мир регулирует поступление кислорода и углекислоты в атмосферу, влияя тем самым на ее температурный режим. Компоненты климатической системы нелинейно взаимодействуют друг с другом и связаны прямыми и обратными связями. Сложность и неодно- значность связей внутри климатической системы, постоянная эволюция ее компонентов с различной инерционностью являются причиной многих кли- матических изменений на планете. Физические механизмы, определяющие внешнее воздействие на клима- тическую систему, а также основные взаимодействия между звеньями клима- тической системы, называют климатообразующим факторами. Внешние фа- кторы принято делить на две группы. К первой группе относятся факторы. 219
Разде! //. Опасные природные процессы определяющие распределение солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, и характер гравитационных взаимодействий внутри Сол- нечной системы (светимость Солнца, внешнее магнитное поле, вариации ор- битальных характеристик Земли). Вторую группу составляют геофизические факторы (гравитационное и магнитное поля Земли, внутреннее тепло плане- ты, влияющее на вулканизм). Рассмотрим первую группу внешних факторов. Как известно, Земля движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находит- ся Солнце. Движение Земли описывается законами Кеплера, которые можно выразить через некоторые инварианты: закон сохранения момента импульса М = 2А х м, где А — секторальная скорость Земли, м — масса Земли. Этот вектор направлен перпендикулярно плоскости обращения Земли в Северное полушарие звездного неба; закон сохранения эксцентриситета орбиты. Движение Земли относи- тельно только Солнца можно определить следующими условиями: М = const; е = const; М х е = О, где е — вектор, численно равный эксцентриситету и направленный в сторо- ну перигелия. Присутствие других планет слегка возмущает орбиту Земли и изменя- ет характеристики ее орбитального движения. Оценки показывают, что ха- рактерное время изменения эксцентриситета равно 105 лет. Изменения эксцентриситета непериодические (рис. 7.1). Рис. 7.1. Изменение эксцентриситета земной орбиты за ближайший 1 млн лет (Дроздов В.А., Васильев В.А.. 1989| В настоящее время эксцентриситет орбиты равен 0,0167 и продолжает уменьшаться (пределы изменения 0,0163—0,0658), причем минимальное его значение будет достигнуто через 25 тыс. лет. Эксцентриситет колеблет- ся с периодами 0,1; 0,425; 1,2 млн лет. Колебания эксцентриситета влияют на величину инсоляции. 220
Гiaea 7. Космогенно-нчиматические опасные природные процессы Поток энергии от Солнца определяется соотношением: I* = [0 X Г V Г02, где г и г0 — текущее и среднее расстояние между Землей и Солнцем. Расстояние до Солнца при положении Земли в перигелии равно: г„ = = г(| (1 — е), а при положении в афелии равно: ra = г0 (I + е). В перигелии на единичную площадку приходится количество солнеч- ной энергии, определяемое по формуле: I*= 10(1 — е) или с учетом малости эксцентриситета: I* = Io (1 + 2е). Аналогично получим для афелия орбиты: I*a = 1(| (1 — 2е). Следовательно: 5 1* = I* - I* = 4е!0. Нетрудно подсчитать, что при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 величина 5 I* меняется от 7 до 26% солнечной постоянной. При наи- большем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на 1/4 солнечной постоянной. Схема времен года определяется наклоном оси вращения Земли к эк- липтике (рис. 7.2). е 25°г 22 ----1---1----1---1----1---1----1---1— О 100 200 3001 тыс. лет Рис. 7.2. Прецессия земной оси в течение ближайших 400 тыс. лет [Дроздов В.Л.. Васильев В.А., 1989] В настоящее время угол между плоскостью экватора и плоскостью эк- липтики составляет 23° 26' 30", но его значение меняется от 21,5° до 24,5° с периодом, равным 41 тыс. лет (еще обнаружен период 200 тыс. лет). Это оз- начает, что широты тропиков и полярных кругов колеблются в пределах 2,5°. Однако наиболее существенным проявлением гравитационных возму- щений является прецессия земной оси относительно перпендикуляра к эк- липтике (рис. 7.3). 221
Раздел II. Опасные природные процессы ЛЕТНЯЯ ИНСОЛЯЦИЯ (10 КАЛ/СМ2 * СУТ.) Рис. 7.3. Астрономические циклы (вверху) задают ритм оледенений с периода- ми 23 тыс.. 41 тыс. и 100 тыс. лет, определяют изменение эксцентриситета земной орбиты, ориентации земной оси (которая описывает в пространстве конус) и накло- на оси, определяющего раствор конуса. Слева внизу представлен график влияния всех этих изменений на летнюю инсоляцию в высоких широтах Северного полуша- рия. Кривая справа отражает изменение объема льда, определенное по данным гео- химического анализа морских осадков. Объем льда медленно возрастает примерно 100 тыс. лет, а затем резко уменьшается, причем в этот момент резко усиливается летняя инсоляция в Северном полушарии. В Южном полушарии все несколько иначе, поэтому оледенениями управляет сезонная составляющая в Северном полу- шарии [Брокер У.С., Дентон Д.Г., 1990] Период прецессии составляет 23 тыс. лет. Прецессия земной оси при- водит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнце- 222
Гюва " Kocwkshho-kшматические опасные природные процессы стояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет. В 1250 г. перигелий совпадал с точкой зимнего солнце- стояния. При малых эксцентриситетах не возникает существенной разни- цы в получении тепла. Орбитальные возмущения меняются достаточно быстро по сравнению с геологическими периодами развития нашей планеты. На основе этого югославский ученый М. Миланкович разработал теорию колебаний клима- та Земли, объясняющую причины образования ледниковых периодов. Даль- нейшие дополнения в работах В. Кёппена. И. Имбри, Г.И. Кухла и К.И. Ме- солелла позволили утверждать, что период изменения наклона земной оси, или прецессии земной оси, составляет 41 тыс. лет, и эти изменения оказы- вают наибольшее влияние в высоких широтах. В низких широтах сильнее сказывается смешение точек предварения равноденствия вдоль орбиты с пе- риодами 23 тыс. и 19 тыс. лет. Изменения формы орбиты составляют 100 тыс. лет. Сравнительно недавно установлено, что плоскость орбиты Земли так- же испытывает колебания с периодами 200 тыс., 425 тыс. и 1,2 млн лет [Шараф Ш.Г., Будникова Н.А., 1969, 1967]. Однако следует отметить, что во всех этих ситуациях рассматривается только радиационный баланс и упуска- ются из виду процессы переноса тепла, связанные с циркуляцией атмосферы и океана. Реально все обстоит сложнее. Существует немало исследований истории климата и сопоставлений ее с историей человечества. Американский ученый А. Идди сопоставил диа- грамму изменений солнечной активности за последние 5 тыс. лет с кривой изменения количества радиоактивного углерода |4С, содержащегося в дре- весине, исследованной за тот же период, и обнаружил тесную корреляцию. Следовательно, это косвенно свидетельствует об изменениях в составе ат- мосферы и климата на планете. А. Идди также отметил соответствие кривых с крупномасштабными изменениями в истории человечества. Максимумам и минимумам количества содержания углерода он дал названия историче- ских этапов человечества. Согласно гипотезе О. Петтерсона, климатические изменения на протяже- нии исторического периода обусловлены долговременными колебаниями океанической циркуляции, в основе которой лежат изменения приливооб- разуюшей силы в зависимости от положения Солнца и Луны по отношению к Земле. Главным источником этого изменения является период вращения Солнца вокруг своей оси и положение угла наклона его оси и экватора по отношению к земной оси и экватору. Здесь возникает периодичность в 1850 лет. Приливообразующая сила влияет на геофизические и метеорологи- ческие факторы. А.В. Шнитников, опираясь на гипотезу О. Петтерсона, проанализировал статистический материал и также выделил цикл длительностью 1850 лет. Ритмичность состоит из двух фаз: первая (300—500 лет) — быстрое и энер- 223
Раздел 11. Опасные природные процессы гичное развитие прохладно-влажного климата; вторая — медленно развива- ющаяся фаза преимущественно сухого и теплого климата (больше 1000 лет) с отступлением ледников, уменьшением стока рек, падением уровня озер, снижением увлажненности. Остальные годы приходились на переходный период. Изменения климата непосредственно сказываются на изменении хо- зяйственной деятельности народов, особенно в допромышленный период. При неблагоприятном суровом периоде наступал экологический кризис и многие цивилизации становились жертвой окружающих кочевых племен, которые в своем развитии стояли на более низком уровне, но были адап- тированы к жестким сельскохозяйственным условиям. И тогда возникал но- вый центр цивилизации. Периоды формирования и расцвета цивилизаций приходятся в основном на переходы от влажного к сухому и теплому клима- ту. Эта же закономерность была подтверждена исследованиями индексов почвообразования (рис. 2 во «Введении»). Учитывая роль почв в земледе- лии в ранние периоды человеческой истории и высокую корреляцию ва- риаций почвообразовательных процессов с солнечной активностью, мож- но в основном согласиться с изложенными утверждениями. Существуют и более короткие (30—35 лет) смены периодов влажного и прохладного климата на сухой и теплый. Как и более короткие циклы — 178 и 400 дней, эти смены периодов обусловлены гравитационным влияни- ем Юпитера и Сатурна на Солнце. Периоды парных соединений Юпитера, Марса и Венеры обусловливают циклы длительностью 4,2 года. Период со- единений Юпитера и Марса является причиной хорошо выраженной повто- ряемости погодных ситуаций с периодом 2,2 года. Самое масштабное и поэтому самое убедительное проявление клима- тических изменений, происходящих на Земле в течение жизни одного по- коления, — это засухи. В последние годы интересные результаты по этой проблеме получены Т.В. Покровской. Ею показано, что за 1887—1965 гг. засухи, случавшиеся на Европейской территории СССР, были лишь в годы восходящей ветви 11-летнего цикла геомагнитной возмущенности (9 засух за 46 лет). Один из ведущих американских метеорологов У. Робертс связывает последние 8 сухих периодов в районе к востоку от Скалистых гор с 22-лет- ним циклом солнечной активности. Для Казахстана характерна связь засух с годами нисходящей ветви II-летнего цикла. Тем не менее в последние годы внимание ученых и политиков привле- чено к существенным климатическим изменениям, включая и засухи, свя- занным с явлением Эль-Нипьо. Исследователи отмечают кореллируемость контрастов засух в восточной Азии и Калифорнии и сильной влажности в Европе и других районах мира с 6-летним циклом Эль-Нипьо. Более деталь- но эту проблему мы рассмотрим ниже. Наиболее ярко климатические цик- лы проявляются в периодических оледенениях, фиксируемых на поверхно- сти Земли. 224
Глава 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы 7.2 Гляциоизостатические циклы Появление гигантских ледниковых покровов не только приводит к уничтожению большей части органической жизни на этих территориях. Одновременно происходит глобальное климатическое похоло- дание, иногда совпадающее с глобальными биотическими кризисами. Таяние ледников — это повышение уровня Мирового океана и затопление значи- тельных территорий. Ранние исследователи Д’Аламбер и Джеймс Кроль при- держивались точки зрения о цикличности оледенений с периодом 11 тыс. лет. Исследования последних лет показали всю сложность картины и неаде- кватность только астрономических подходов. Обратимся не к анализу цик- лов, а к реально установленным данным по оледенениям ближайшей геоло- гической истории (рис. 7.4—7.6). Рис. 7.4. График климата в течение последних 150 тыс. лет с прогнозом буду- щего климата на ближайшие 25 тыс. лет [Имбри Д., Имбри К.П., 1988] По данным А.Б. Ронова, М.И. Будыко, А.Л. Яншина, содержание СО2 в атмосфере Земли за последние 600 млн лет было в 3—4 раза выше. Изме- нение температуры за этот период составило 1 Г. Так, в середине мелового периода (80—110 млн лет назад) под водой находилось 36% площади совре- менной суши. Около 50—40 млн лет назад началось общее понижение тем- пературы, и оно идет до настоящего времени. Возникло оледенение Антарк- тиды (уровень океана сразу понизился на 65—70 м), а затем и Гренландии (понижение на 6—7 м). Понижение уровня океана привело к ослаблению об- 15. Заказ № 1707. 225
Раздел II. Опасные природные процессы Тысяч лет назад Рис. 7.5. Схема изменений климата в течение последних 10 500 лет [Имбри Д., Имбри К.П., 19881 мена водами, а значит, и теплом между Атлантикой и Тихим и Северным по- лярными бассейнами. Арктика стала гигантским планетарным холодильни- ком, и несколько миллионов лет назад возникли ледниковые щиты в Скан- динавии, на Урале, Новой Земле, в Северной Америке. Ледники толщиной до 2—3 км опускались до Киева и низовьев Иртыша. Эти ледники больше реагировали на изменения температуры, которые усиливались изменениями альбедо льда и воды и атмосферы. Последнее оледенение наблюдалось 18— 20 тыс. лет назад, температура была ниже на 5—ТС. Наибольший объем лед- ников мог достигать 77 млн км3. Уровень опускался ниже на 100—120 м, и мелководных морей типа Балтийского и Белого не было. 16 тыс. лет назад началось отступление ледников и глобальное потепление на 5—8°С (8 тыс. лет назад). Уровень океана рос на 1—2 см в год. Из-за изменений гравита- ционного поля Земли в связи с перераспределением ледников замедлилось врашение Земли. Когда ледники наступали, вращение Земли ускорялось. Изучение последнего оледенения показало, что за период около 2 млн лет произошло 4 главных и несколько второстепенных продвижений льда. Главные стадии наступления ледников разделялись продолжительными теплыми межледниковьями, когда климат был теплее, чем сейчас. Потепле- ние и похолодание климата происходит с периодичностью 100 тыс. лет. Похолодания климата могут вызывать действующие вулканы, но они не способны вызвать оледенение. В геологическом прошлом были длительные эпохи, когда средние глобальные температуры были почти в 2 раза больше современных температур. За всю историю Земли было около 6 оледенений (средняя температура на 5°С меньше современных). Во время четвертично- го оледенения 4 раза наступали ледниковые эпохи, сменявшиеся межлед- никовыми. Последнее оледенение началось 75 тыс. лет назад и закончилось около 12—15 тыс. лет назад. 226
Гшва 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы Рис. 7.6. Ледниковые щиты и горные ледники росли во время последнего оле- денения в обоих полушариях. Карта показывает продвижение материкового (крас- ный) и морского (желтый) льда в кульминационный период оледенения — 19500 лет назад. В некоторых местах материковый лед заходит за современную береговую линию, поскольку уровень моря был ниже. График иллюстрирует положение сне- говой линии в Кордильерах на разрезе с севера на юг, показанном на карте серой линией. В ледниковый период снеговая линия (синяя) была примерно на 1000 м ниже, чем сейчас (красная), на всех широтах [Брокер У.С., Дентон Д.Г, 1990] 227
Раздел И. Опасные природные процессы Сейчас мы живем в межледниковом периоде, который продолжается уже 10 тыс. лет (с момента последнего оледенения). В этом периоде выде- ляют 4 эпохи: 2 теплые с пиками около 5000—3000 и 1000—800 лет назад и 2 холодные — с минимумами примерно 2900—2300 и 550—125 лет назад. Таким образом, последняя теплая эпоха была в 985—1185 гг. н.э., а послед- няя холодная — с 1435 по 1860 г. н.э. Новый ледниковый период может начаться не ранее чем через 8 тыс. лет (по расчетам Джонсона). С 1880 г. происходит постепенное потепление климата, достигшее мак- симума в 1930 г. (по сравнению с XIX в. температура воздуха в Северном по- лушарии повысилась на 0,6°С), с 1950 по 1978 г. — похолодание, с 1980 г. — новое потепление (рис. 7.7). При потеплениях начинается таяние ледников. В ледниках содержится более половины объема воды на континентах, более 99% всех ледниковых вод сосредоточено в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии. Все лед- ники планеты имеют объем 24—33 млн км3. В XX в. сокращались почти все ледники Северного полушария. Некоторые ледники Норвегии и Скалистых гор отступали со скоростью 20 м/год, а Гималаев — 40 м/год, хотя обычно эта скорость составляет 10 см или несколько метров в год. Рис. 7.7. Динамика глобального потепления [Boden Т.А. et. al.] Общая площадь оледенения Северного Кавказа уменьшилась с начала XX в. до 60-х годов более чем на 1/3, а ледников Алтая и Альп — на 20— 25%. Это приводит к увеличению стока рек, питающихся от ледников, и росту температуры воздуха. При увеличении температуры сокращается по- ступление влаги в ледники. Но суммарный вклад всех горных ледников в Мировой океан равен стоку среднестатистической реки. Сток ледников Гренландии (включая айсберговый сток) сопоставим с талым стоком, а у 228
Глава 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы Антарктиды он даже значительно больше. Для полного возобновления за- паса вод горных ледников требуется 100—200 лет. А в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии — несколько тысяч лет Скорость снегонакоп- ления по различным эпохам удается определить с помощью датирования по изотопам слоев снега, которых достигают путем бурения. Уровень Мирового океана в последние 100 лет поднимается со скоро- стью 0,5—2,5 мм/год (по данным космической геодезии). В отдельные пе- риоды изменение уровня отличается от среднего (рис. 7.8). Рис. 7.8. Изменение относительного уровня Мирового океана (б) и объема оле- денения Антарктиды (а) в течение последних 100 млн лет [Мягков С.М., 1989, с до- полнениями] Запасы воды в Гренландии с конца XIX в. сокращаются в среднем на 37 км3 в год, в Антарктиде — на 140 км3, но есть оценки и 1000 км3 в год. Большая доля приходится на айсберги. Они достигают 100 км в попереч- нике и 300—400 м в высоту, существуют несколько лет и доплывают до бе- регов Аргентины и Новой Зеландии. С начала XX в. и до 1975 г. уровень Атлантики повысился на 144 мм, Северного Ледовитого океана — на 114, Тихого — на 68, а Индийского — на 46 мм. В чем причина? В перестройке глобальной системы водообмена в условиях потепления климата, ибо тектоника изменяется в течение сто- летий, а атмосфера давления и течения — нескольких месяцев. Средний 229
Раздел II. Опасные природные процессы объем Мирового океана с начала столетия увеличивался на 550 км3 в год, а с середины столетия — на 1300—1400 км3. В бессточных озерах увеличе- ние составило: в начале века — несколько десятков кубических километ- ров в год, а в 30-е годы — до 300—400 км3. Бессточные озера есть на всех континентах. Они занимают 25% пло- щади суши. К ним относятся: Каспий, Арал. Балхаш, Иссык-Куль, Урмия, Ван — в Евразии; Чад, Рудольф — в Африке; Эйр, Торрес — в Австралии; Большое — в Северной Америке; Титикака — в Южной Америке; Кукунор и Хубсугул — в Центральной Азии. Их уровни колеблются с периодом 25— 45 лет. При потеплениях меняется уровень бессточных озер. Так, повыше- ние температуры на 0,5°С с 1900 по 1980 г. отразилось на их уровне: озеро Рудольф — на 15 м, Арал — на 8,5 м, Мертвое море — на 6,3 м, Каспий — на 3,5 м и т.д. Но как объяснить быстрый подъем Каспия с 1977 г., достиг- ший уже 2,1 м, на фоне продолжающегося потепления? Сток Волги в это же время был на 20% боль- ше, но этого мало. Одно из объяснений — тектониче- ское сжатие зоны Кавказ- ско-Среднеазиатского реги- она и вытеснение волы из пор горных пород. Уровень Каспия и дру- гих бессточных озер реаги- ровал и на ледниковые эпо- хи плейстоцена (рис. 7.9, 7.10). Каспий в последний 1 млн лет поднимался на 30—50 и даже 80 м. Плошадь озера в пустыне Гоби увели- чилась в 6—10 раз, а озеро Бонвилл и Лахонтан в Се- верной Америке — изменя- лась в десятки раз. Уровень Арала в последнюю ледни- ковую эпоху повысился на 16—20 м. То же и в отноше- нии горных озер — Севан, Иссык-Куль, в Тибете и др. Рис. 7.9. Колебания уровня морей СССР за последние 10—12 тыс. лет: а — периоды низкого увлажнения материков [по А.В. Шнитникову]; б— Балтийское море; в — Бе- лое море; г — Восточно-Сибирское и Чукотское моря; д — Берингово море; в — Японское море 230
Глава 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы Лишь в субтропиках и тропиках было сухо, и уровень озер снижался. В на- чале межледниковых эпох, сразу после очень быстрого потепления, были наиболее низкие уровни — почти вдвое. Возраст, тысяч лет назад 600 500 400 300 200 100 0 ш и шшшш Рис. 7.10. Периоды похолоданий и распределения оледенений на Русской рав- нине (о) и предполагаемое изменение уровня Каспийского моря (б) [Селиванов А.О., 1990| 7.3 Явление Эль-Ниньо. Климатические и экологические следствия Явление Эль-Ниньо — это аномальное потепление поверхностных вод в экваториальной зоне Тихого океана, связанное с гло- бальными вариациями атмосферного давления. Наличие аномалии приво- дит к изменению погоды в огромном по плошади регионе. Явлению Эль- Ниньо также присуща цикличность проявлений. В последние годы в результате применения новой технологии в мор- ских научных исследованиях впервые использовалась сеть закрепленных в океане автономных буев (международная программа «Тропическая атмо- сфера и океан» (ТАО)). Они дистанционно регистрировали и передавали по спутниковым каналам связи значения температуры, скорости ветра и 231
Раздел II. Опасные природные процессы другие метеорологические параметры атмосферы и океана. Благодаря это- му появилась возможность построить более совершенные модели феноме- на Эль-Ниньо за 1997—1998 гг. [Вебстер П-Дж., Пальмер Т.-Н. «Нейчур». 11.12.1997 г.]. По этой схеме процесс формирования самого сильного теплого тече- ния в океане в наше столетие представляется следующим образом. В обыч- ных погодных условиях, когда фаза Эль-Ниньо еше не наступила, теплые поверхностные воды океана транспортируются и удерживаются восточны- ми ветрами (пассатами) в западной зоне тропической части Тихого океа- на, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). Следует отметить, что глубина этого теплого пласта волы достигает 100— 200 м. Формирование такого огромного резервуара тепла — главное усло- вие для перехода к режиму феномена Эль-Ниньо. При этом в результате нагона воды уровень океана у берегов Индоне- зии на 2 фута выше, чем у берегов Южной Америки. В то же время темпе- ратура поверхности воды на западе в тропической зоне составляет в среднем 29—30°С, а на востоке 22—24°С. Небольшое охлаждение поверхности на вос- токе является результатом апвеллинга, т.е. подъема глубинных холодных вод на поверхность океана при подсосе воды пассатными ветрами. Одновремен- но над ТТБ в атмосфере образуется самый большой район теплоты и стаци- онарного неустойчивого равновесия в системе океан — атмосфера (когда все силы уравновешены и ТТБ неподвижен). По неизвестным пока причинам с интервалом 3—7 лет пассаты осла- бевают, нарушается баланс, и теплые воды западного бассейна устремляют- ся на восток, создавая одно из самых сильных теплых течений в Мировом океане (рис. 7.11). На восточной площади Тихого океана, в его тропической экваториальной части, происходит резкое повышение температуры поверх- ностного слоя океана. Это и есть наступление фазы Эль-Ниньо. Его нача- ло отмечено длительным натиском шквальных западных ветров, служащих пусковым механизмом новой фазы. Они сменяют обычные слабые пасса- ты над теплой западной частью Тихого океана и препятствуют подъему на поверхность холодных глубинных вод. В результате происходит блокиров- ка апвеллинга. Апвеллинг возникает благодаря совместному воздействию направленного к экватору Перуанского течения и сгонных ветров, отжи- мающих теплые поверхностные воды от берега. Благодаря апвеллингу хо- лодная вода насыщается биогенными элементами, в основном фосфатами и нитратами, которые служат пищей для фотосинтезирующего планктона и в конечном итоге обусловливают поддержание самой крупной в мире по- пуляции анчоуса. Явление блокировки апвеллинга наблюдается в конце года во время рождественских праздников, отсюда и его название (по-испански Эль-Ниньо — младенец Христос). При интенсивных явлениях Эль-Ниньо гибнут планктон, анчоус, птицы остаются без пиши, а рыбаки без добычи — наступает экологическая катастрофа. 232
Глава 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы Рис. 7.11. Схема возникновения явления Эль-Ниньо. Это явление периодиче- ского перекачивания воздуха между системой высокого давлений (юго-восточная часть Тихого океана) и системой низкого давления (над Индонезией и северной Австралией). В обычных условиях эта разность давлений является причиной пас- сатов (вверху), дующих вдоль экватора. Возникает термоклин. Во время Эль-Ниньо (внизу) разность давлений становится меньше, и пассаты исчезают, образуется вол- на Кельвина, идущая к берегам Южной Америки, которая заглубляет там термо- клин и подавляет апвеллинг [Колин Рамадж С., 1986] 233
Раздел II. Опасные природные процессы Хотя сами процессы, развивающиеся при фазе Эль-Ниньо, региональ- ны, тем не менее их последствия носят глобальный характер. Эль-Ниньо обычно сопутствуют экологические катастрофы: засухи, пожары, ливневые дожди, вызывающие затопление огромных территорий густонаселенных рай- онов, что приводит к гибели людей и уничтожению скота и урожая в разных районах Земли. Эль-Ниньо оказывает заметное влияние на состояние миро- вой экономики. По данным американских специалистов, в 1982—1983 гг. экономический ущерб от последствий Эль-Ниньо составил 13 млрд долл., а по оценкам ведущей страховой компании мира Munich Re, ущерб от природ- ных катаклизмов в первой половине 1998 г. оценивался в 24 млрд долл. Теплый западный бассейн обычно через год после Эль-Ниньо вступает в противоположную фазу — так называемую Ла-Нинья, когда восточная часть Тихого океана охлаждается. Фазы потепления и похолодания перемежаются с нормальным состоянием, когда идет накопление теплоты в западном бассей- не (ТТБ) и восстанавливается состояние стационарного неустойчивого равно- весия. В чем же секрет глобального воздействия на климат Земли Эль-Ниньо? Климатолог П.Дж. Вебстер считает: «Прежде всего — в нелинейности и не- равновесное™ климатической системы. Эль-Ниньо не может вызвать мгно- венные изменения в самой атмосфере, но феномен влияет на стохастический выбор наиболее вероятного состояния возмущенной атмосферы». По модели российских исследователей, тайфуны в северо-западной ча- сти Тихого океана, выбрасывая в атмосферу большое количество тепла, ох- лаждают поверхностный слой, не затрагивая большие глубины. Это пре- пятствует образованию новых циклонов, и избыточная глубинная энергия реализуется через усиление мощных меридиональных течений в северном направлении. Таким образом, разница температур поверхностной воды ме- жду тропиками и высокими широтами резко уменьшается. Из-за этого ос- лабляются пассаты. При ослаблении пассатов нарушается тепловой баланс, и потоки теплых вод западного бассейна устремляются на восток. Признаки наступления теплого течения просматриваются в температуре верхнего слоя океана, во влажности, скорости ветра. Обнинские ученые раз- работали специальный индекс, рассчитанный на основе этих и других хара- ктеристик, и выявили связь индекса с количеством тайфунов и феноменом Эль-Ниньо за последние 30 лет. Интересна и другая корреляция. Чандлеровские колебания полюса име- ют две составляющие: 1,2 года — это вынужденные колебания и 1 год — сво- бодные колебания. Общий множитель — 6 лет. Интенсивные Эль-Ниньо случаются с периодом 6—7 лет. Узлы лунной орбиты непрерывно перемеша- ются по эклиптике к западу с периодом 18,6 года, а перигей лунной орбиты идет к востоку с периодом 8,85 года. Соединение их происходит через 6 лет. Известно, что течение возникает раз в 2—7 лет. Последнее Эль-Ниньо. начавшее набирать силу с декабря 1996 г. и завершившееся лишь в 1998 г. может стать феноменом века. Только прямые убытки от него составили, по мнению экспертов. 14 млрд долл. Во многих странах мира была зарегистри- 234
Глава Космогенно-к ш.иатические опасные природные процессы рована рекордно теплая погода в зимние периоды, а по государствам Тихо- океанского бассейна прокатились опустошительные ураганы, наблюдались катастрофические наводнения и в Африке. Итог суров: 21,7 тыс. погибших, 541 тыс. переболевших болезнями природных катастроф (в основном холе- рой и малярией), 117 млн раненых и пострадавших от недоедания. Прос- матривается связь экстремальных Эль-Ниньо с явлениями засух на Земле. Вне всякого сомнения, наблюдающееся потепление климата усилит все эти взаимосвязанные явления. 7.4 Причины современного потепления климата. Возможные последствия. Меры защиты Мы являемся свидетелями изменения климата на планете, его глобального потепления. Примеры: 1) увеличивается на 1/6 за последние 20 лет плошадь акваторий Тихого океана с температурой по- верхностного слоя выше 26—27°С (важный фактор зарождения и развития тропических циклонов); 2) растет средняя температура Земли; 3) идет по- вышение уровня Мирового океана вследствие таяния ледников; 4) усилива- ется мощь атмосферных явлений (циклонов, ливней, засух и т.д.). Каковы причины такого потепления? Земля получает энергию от Солнца в виде электромагнитного и кор- пускулярного излучения. Солнце излучает в единицу времени энергию, ко- личество которой определяется по формуле: L = 4kR2gTc4 = 3,83 х 1026Вт. где Rc — радиус Солнца; Тс — температура его поверхности; о — коэффи- циент пропорциональности (постоянная Стефана — Больцмана). Очень малая часть солнечной энергии попадает на Землю. Ее можно оценить как отношение площади земного шара (л R2) к площади поверх- ности (4 ла2) сферы с радиусом земной орбиты а3, что в численном выра- жении составляет 1,75 х 1017 Вт. Часть солнечной энергии сразу отражается в космос. Доля отраженной энергии А называется альбедо (от лат. albus — белый). По спутниковым данным, А = 0,28. Остальная часть энергии поглощается Землей, что дела- ет ее теплее космоса. Тепло не накапливается, так как происходит его 235
Раздел 11. Опасные природные процессы электромагнитное излучение в космос. Таким образом, энергетический ба- ланс Земли — это равенство между энергией, поступающей от Солнца и поглощаемой Землей, и энергией, излучаемой от Земли в космос: R 2 (1 - А) х 4nR2oT4 х = 4nR2oT4. (2а3)2 Отсюда можно найти среднюю температуру поверхности Земли: Т=Т f^x(l-A)4 =257К = -16°С. 3 Эта температура заметно ниже, чем мы наблюдаем в действительности. Разумеется, необходимо еще учесть и поток энергии из земных недр, но он на 3 порядка меньше потока солнечного излучения [Пашков Л.Т., 1990]. Причина такого расхождения объясняется особенностями лучистого теплообмена в атмосфере Земли. В спектре излучения Солнца максимум приходится на интервал длин волн, зависящих от температуры излучателя (0,1—0,7 мкм). Для Земли он сдвинут далеко в инфракрасную область и невидим для глаза. Атмосфера Земли обладает следующим свойством: она прозрачна для видимого света и не пропускает обратно значительную часть энергии, приходящуюся на инфракрасную область спектра (рис. 7.12). Поэтому температура у поверх- ности повышается до новой равновесной температуры, которая выше по- лученной нами. Аналогичный эффект наблюдается в парнике, отсюда и название — «парниковый эффект». Заметим, что повышение температуры возникает также и при умень- шении альбедо Земли. Основные компоненты атмосферы — азот, кислород и инертные газы — прозрачны для всех лучей. Но углекислый газ СО2 и водяной пар Н2О по- глощают энергию инфракрасного излучения. Концентрация водяных паров в атмосфере определяется физическими условиями на поверхности Земли и в самой атмосфере. Если концентрация паров повышается, то избыток их конденсируется. Углекислый газ, как и водяной пар. является продуктом сжигания ор- ганического топлива на ТЭЦ и в технических двигателях. Кроме того, он образуется в процессе производства цемента, выделяется при извержениях вулканов, при гниении органики и при дыхании организмов, в том числе почвенных микроорганизмов. Часть углекислого газа поглощается океаном, растворяясь в приповерхностных водах, часть — расходуется в процессе фо- тосинтеза (рис. 7.13). В зависимости от преобладания тех или иных процес- сов содержание углекислого газа может колебаться. Однако в настоящее время концентрация СО2 увеличивается в результате сжигания огромного количества органического топлива (табл. 7.1). 236
Глава 7 Космогенно-климатические опасные природные процессы Рис. 7.12. Около 30% солнечной энергии отражается (слева) либо от облаков, либо от частиц, либо от поверхности Земли; 70% энергии поглощается и переизлу- чается поверхностью Земли или атмосферой в инфракрасном диапазоне (которая также нагревается восходящими потоками воздуха и теплом, выделяющимся при образовании облаков). Из-за парникового эффекта часть тепла возвращается к Зем- ле, поэтому температура на Земле выше [Грейдел Т.Э. и др., 1989] Рис. 7.13. Обмен углеродом между атмосферой и различными «резервуарами» на Земле (млрд т). Циклы сбалансированы, но человеческая деятельность приводит к тому, что в атмосфере ежегодно содержание углерода увеличивается на 3 млрд т [Шнайдер С.Г., 1989] 237
Раздел //. Опасные природные процессы Таблица 7.1 Изменения концентрации углекислого газа (к уровню 1880 г.) [Пашков Л.Т., 1990] 1974 г. 2000 г. 2025 г. Образование СО2 за год, 1015 г 5 14 42 Концентрация СО2, % 0,033 0,038 0,053 Увеличение концентрации, % 12 29 81 При оценке антропогенных источников СО2 принято, что интенсив- ность его образования увеличивается на 4,3% в гол и в атмосфере удержи- вается 50% образующегося количества. Исследования, проведенные в период между 1980 и 1985 гг., показали, что необходимо принимать во внимание и другие газы, вызывающие пар- никовый эффект, — такие, как метан, закись озота. озон и хлорфторугле- водороды, поскольку их содержание в атмосфере также увеличивается. Несмотря на различия в оценке причин глобального потепления, в мире растет озабоченность возможными последствиями этого процесса. Мировое научное сообщество накопило огромный объем информации по этой проб- леме, но он пока недостаточен для достоверного прогноза глобальных кли- матических изменений. Мало исследован механизм положительных обратных связей, который может усилить негативный эффект потепления. Так, на- пример, увеличение летних температур может привести к быстрому прота- иванию вечной мерзлоты в высоких широтах. В результате из глубинных торфяников высвободятся большие объемы метана и углекислого газа, ко- торые поступят в атмосферу, что усилит парниковый эффект. По данным Всемирной метеорологической организации, 90-е годы XX в. были самым теплым десятилетием за последнее тысячелетие. Несомненно, в XXI в. тенденция потепления климата сохранится и, возможно, даже уси- лится (рис. 7.14). Так, по разным сценариям МГЭПИК при удвоении концентрации угле- кислого газа шли при постепенном увеличении его содержания в атмосфере на 1% в год в XXI в. следует ожидать потепления климата Северного полу- шария на 1,5—3°С (рис. 7.15, 7.16). Региональные проявления потепления неодинаковы: рост температур в тропических широтах будет не столь зна- чительным, как в умеренном поясе. Обратимся к конкретному анализу возможных изменений климата и его последствий для востока Евразии (рис. 7.17). Восточная Евразия, вклю- чающая азиатскую часть России, Китай, Монголию, страны Корейского полуострова, Японию, — это один из важнейших геополитических и гео- 238
Глава 7. Косжгенно-кшматические опасные природные процессы Рис. 7.14. Концентрация диоксида углерода и температура изменялись почти одинаково в течение последних 160 тыс. лет (вверху) и в течение последних 100 лет (внизу). Отмечены их одинаковый рост в конце ледникового периода (около 130 тыс. лет назад), снижение в начале нового ледникового периода и новый рост 10 тыс. лет назад, когда лед отступил [Шнайдер С.Г., 1989] 239
Раздел И. Опасные природные процессы Рис. 7.15. Отклонение от средних многолетних температур [Алексеева Н.Н., 2001; сайт: http://geo.lseptember.rU/2001/40/2.htm) Рис. 7.16. Отклонение от средней многолетней нормы осадков [Алексеева Н.Н 2001; сайт: http://geo.lseptember.ni/2001/40/2.htm] Малярия О Тепловой удар р Болезни, передаваемые водой ’ ’ Урожайность „.. риса, пшеницы’ Продуктивность животноводства ОО Прирост древесины w Рыболовство О Аквакультура О Водопотребление О Водообеспечение ОО Гидроэнергетика О Заиливание водоемов ’’ Качество воды О Затопление берегов Стоимость „ защитных сооружений Деградация земель ’' Качество ( подземных вод f) увеличение О уменьшение Рис. 7.17. Схема некоторых возможных последствий глобального потепления hi востоке Евразии [Алексеева Н.Н., 2001; сайт: http://geo.lseptember.ni/2001/40/2.htm 240
Г шва 7. Космогенно-климатические опасные природные процессы экологических регионов земного шара. Здесь проживает 1/4 человечества: в 1995 г. население региона составляло 1,4 млрд человек, к 2025 г., по оцен- кам ООН, оно достигнет 1,7 млрд. Природные ландшафты региона очень разнообразны: от арктических пустынь и тундр на севере России до субтро- пических лесов на юге Китая. Страны региона отличаются динамично разви- вающейся экономикой: ежегодный рост ВВП на душу населения в 1975— 1995 гг. составлял 3,8% в год (по сравнению с мировым показателем 1,2%). Изменение климата. За последние 100 лет средняя годовая температура в пределах умеренного пояса на востоке Азии возросла более чем на 1°С, но в отдельных частях региона потепление проявлялось по-разному. Так, в Сиби- ри и на востоке Китая средние годовые температуры возросли на 2—4°С, в то время как на юго-востоке Китая температура понизилась на 1—2°С. Согласно разработанным климатологическим моделям в случае удвое- ния содержания СО, в атмосфере рост глобальных температур в 2050 г. со- ставит 2—3°С, а по некоторым данным — 2—5°С. Более теплыми станут зи- мы. В Евразии потепление в Сибири и во внутренних, континентальных областях будет более выраженным, чем в приморских районах, находящих- ся под влиянием муссонной циркуляции. Прогнозирование осадков подвержено большей неопределенности, чем прогнозирование температур. Потепление на востоке Евразии пока сопро- вождается небольшим увеличением количества осадков. За последнее сто- летие зафиксировано повышение средних годовых сумм осадков на 20—50% на востоке Сибири, на 10—20% — на Корейском полуострове, северо-вос- токе Китая, в бассейне Хуанхэ. В то же время в Японии и на юго-востоке Китая количество осадков уменьшилось. Результаты климатического моде- лирования показывают, что при повышении содержания СО, в атмосфере увеличение количества осадков будет продолжаться в Сибири, на Корей- ском полуострове, в Японии и юго-западе Китая. В то же время сократит- ся продолжительность периода со снежным покровом и уменьшится тол- щина покрова. Снижение количества осадков ожидается