Рождение жизни на Земле, ее развитие и существование, антропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вторым началом термодинамики - законом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как и каким образом происходит неизбежное ухудшение качества окружающей среды для достижения главной цели - обеспечения существования жизни на планете и устойчивого развития.
Для эволюции упорядоченных систем и их существования требуются необходимые и достаточные условия:
необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергией с низкой энтропией;
возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.
Особенность живого организма состоит в том, что он поддерживает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясь высококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окружающей среды, а условием существования жизни является достаточность энтропийных запасов окружающей природной среды. Для обеспечения жизни окружающая среда должна находиться в "достаточном упорядоченном состоянии". В ней должны находиться ряд питающих подсистем: солнечное излучение, воздух, вода, минералы, растения, животные и т.п. Существование и развитие жизни создают новые высокоупорядоченные системы, но при этом ускоряются процессы возрастания энтропии. В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потоки энергии (длинноволновые излучения) и другие отходы человеческой цивилизации. Жизнь создает актуальную упорядоченность из неактуальной неупорядоченности. При этом происходит увеличение энтропии в неактуальной части общей системы. В нашем случае актуальной подсистемой является биосфера на Земле, неактуальной - космическое пространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Туда же, в космическое пространство, рассеивается излучение с земной поверхности. Это излучение обладает большей энтропией, т.е. более низким качеством энергии, чем поток солнечного излучения. Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли с большим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этом заключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальные части системы. Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропии достигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человека подсистемах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушался бы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфере связаны с этим законом. Человек, как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийной пирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этого уровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащих уровней и других питающих подсистем. Положение уровня человека весьма чувствительно к любым внешним воздействиям и требуется большой набор дополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильность существования этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюции живой материи. Мало того, что для обеспечения человеческой жизни нужны воздух, вода, пища, жилище, солнечное излучение и многое другое, но требуется, чтобы вода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годы эволюционного развития. Требуется большой набор биотических и абиотических факторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни. Быстрое изменение одного из этих факторов может нарушить устойчивость уровня в пирамиде, где находится человек. Ни состав воды, ни состав воздуха и т.д. не должны быстро меняться от состава, сложившегося за эволюционный период. Если, например, абиотические факторы меняются (состав воды, воздуха и т.п.), то скорость этих изменений должна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живого организма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытой подсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) и достаточные (набор биотических и абиотических факторов, постоянных или меняющихся со скоростью адаптации) условия обеспечивают устойчивость жизни в биосфере. Необходимо отметить, что эти условия не охватывают все стороны многогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством, искусством, этикой, моралью и т.д., однако они являются фундаментом и каркасом здания, в котором живет и творит человек.
|
|
|
|
Энтропия Земли
Планета Земля вместе с живой и неживойприродой представляет собой сложнейшую самостоятельную экосистему, в которой нужно заботиться о ее состоянии, способном обеспечить существование жизни. Для этого необходимо, чтобы имелись, во-первых, источники, в которых будет происходить возрастание энтропии в системе "Земля - космос" за счет уменьшения энтропии в ноосфере, во-вторых, необходимы способы избавления от отходов человеческой цивилизации. Важнейшим источником энергии с низким значением энтропии является солнечное излучение, которое обеспечивает жизнедеятельность биосферы, протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другие биохимические и биофизические реакции.
|
|
Длинноволновое тепловое излучение Земли, уходящее в космос, уносит часть "отходов" в виде приращения энтропии, как неизбежного побочного продукта многих земных процессов естественного и техногенного происхождения. Баланс энергии при этом сохраняется. Главное заключается в том, что солнечная энергия обладает более низкой энтропией (следовательно, более высоким качеством энергии), чем уходящее в космос длинноволновое излучение Земли, обладающее более высокой энтропией (следовательно, более низким качеством энергии). Иными словами, Земля получает от Солнца качественную энергию с низкой энтропией, а отдает в космос некачественное излучение с высокой энтропией и, таким образом, "очищается" от избытка энтропии. Последний процесс также важен, как и первый процесс получения качественного солнечного излучения. Эти две стороны пока не вызывают беспокойства: солнечного излучения хватит на миллионы лет, а приращение энтропии во Вселенной за счет поступления избытков энтропии от антропогенной деятельности ничтожно мало. Вопрос в другом. В результате научно-технической революции и научно-технического прогресса нарушается устойчивое равновесие системы "человек - среда". В настоящее время настолько много различных видов загрязнений биосферы, что требуются специальные дополнительные меры для их утилизации. Но с другой стороны, для их утилизации требуется энергия и средства. Это вызывает приращение энтропии в других областях, которые поставляют эту энергию и средства.
Возникает заколдованный круг, одно место очищают, передвигая отходы в другое место, аналогично тому, что дымовая труба строится выше с тем, чтобы продукты выхлопа уносились по возможности дальше, в соседнюю область. Если рассматривать в целом весь Земной шар, то категория "чистое производство", "полная утилизация" при глобальном балансе представляет собой избавление от своих отходов за счет увеличения их суммарного количества на планете. Для выхода из этого порочного круга можно рассмотреть два пути:
лучше и эффективнее использовать солнечное излучение;
найти и ввести новые источники энергии с низкой энтропией.
По первому способу возможно в недалеком будущем в космосе создать приемники солнечного излучения в виде совершенных гелиобатарей и передавать эту энергию на Землю.
По второму способу можно использовать атомную или термоядерную энергию. При этом имеем низкую энтропию процессов высвобождения энергии при превращении атомных ядер. Однако, при всё увеличивающемся росте энергопотребления (например, в 102 раз больше, чем в настоящее время) снова встанет проблема захоронения радиоактивных отходов в огромных количествах и избавления от тепловых загрязнений. Бросовое тепло от атомных станций и других источников энергии вызовет существенный нагрев атмосферы, гидросферы, литосферы, что является серьезной угрозой, нарушающей устойчивое равновесие.
Оценим величину энтропии, применительно к тепловой системе "Земля". Считаем, что падающее солнечное излучение имеет внутреннюю энергию Е1 и температуру Т2 а рассеянное Землей в космос излучение имеет соответственно Е2 и Т2.
В среднем энергия на Земле не накапливается, поэтому с известным приближением можно считать, что Е1=Е2 = Е и энтропия на Земле равна разности энтропии падающего солнечного излучения и рассеянного в космос излучения Земли. Считаем Землю равновесной термодинамической системой типа абсолютно черного тела. Величина энтропии Земли по абсолютной величине будет равна [3, 4]:
(16)
Считая T2 ≈ 6000 К и T2 ≈ 300 К, с учетом интенсивности солнечного излучения и геометрических размеров Земли, имеем:
кал∙град-1∙г-1 (17)
Учитывая, что 
выражение (17) примет вид:
, кал∙град-1 ∙г-1. (18)
Из (18) видно, что чем меньше Т2 т.е. более глубокое охлаждение уходящего излучения от Земли в космос при постоянных количестве и качестве солнечного излучения, тем можно больше добиться большей разности энтропии между качественной солнечной энергией и низкокачественной, рассеянной в космос энергией Земли. При большей деградации энергии Е2 Земли, рассеиваемой в космос в виде более длинноволнового излучения, большее число фотонов будет переносить заданное количества энергии, так как солнечное излучение, падающее с энергией Е1 и частотой v1 имеет N1 квантов, а уходящее в космос с поверхности Земли излучение с энергией Е2 имеет N2 квантов. Учитывая, что E1 = E2 иv1>v2, имеем:
N1hv1 = N2hv2 ( 19) или 
(20)
Увеличение числа квантов N2 с частотой v2<v1 обозначает рост энтропии.
Растительный покров Земли дополнительно способствует охлаждению уходящего излучения, т.е. температура Т2 уменьшается, но при этом увеличивается рост энтропии Вселенной. Снова приходим к начальному толкованию. Локально в отдельной упорядоченной подсистеме можно добиться уменьшения энтропии, но для всей системы в целом будет большее пиращение энтропии. Для отдельных термодинамических систем важнейшей характеристикой является производная энтропии по времени: dSi/dt, где Si - внутренняя энтропия системы. Через эту величину можно выражать условия динамического равновесия, эволюционного развития и устойчивого равновесия.
В ходе различных производственных процессов, использования природных ресурсов, распыления материалов в окружающей среде, образования в виде физических, химических и биологических загрязнений энтропия системы "человек - окружающая среда" увеличивается.