53

2.2 Энергетика и биосфера

Биосфера и человек обеспечивают себя энергией различными способами, что и порождает появление экологического риска, способного изменить качества ЭС.

Под экологическим риском понимается вероятность наступления события, имеющего неблагоприятные последствия для природной среды и вызванного негативным воздействием хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайными ситуациями (ЧС) природного и техногенного характера.

В биосфере растения, которые начинают трансформацию солнечной энергии в живом веществе, преобразуют энергию Солнца из рассеянного состояния в концентрированное состояние. Затем они синтезируют эту энергию в органическое вещество.

В отличие от растений люди, сжигая органическое вещество, переводят сосредоточенную в них энергию из концентрированного состояния в рассеянное, тем самым загрязняя ОС и разрушая ЭС.

Экосистема в виде биогеоценоза рассматривается в двух направлениях.

Первое – как совокупность однородных природных элементов на определенном участке поверхности Земли

(по В. Н. Сукачеву).

И второе – как эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная ПС функционально взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической среды, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией.

54

Эти направления формируют устойчивость биосферы через сохранение качества ОС.

Качество ОС характеризуется ее состоянием через физические, химические и биологические показатели и (или) их совокупностью.

Важным критерием биосферы являются динамические качества ПС, характеризующие способность этих систем изменяться и сохранять свои структурно-функциональные характеристики во времени [12].

В ПС определяющую роль отводят качеству воздуха и воды, которые наиболее сильно подвержены разрушительному воздействию человеческой деятельности.

Под качеством воздуха понимается степень соответствия его физических и биологических характеристик потребностям человека.

Качество воды (вод) характеризуется степенью соответствия показателей качества воды потребностям людей и (или) технологическим требованиям.

К показателям качества воды относят органолептические, токсикологические, санитарнотоксикологические и рыбохозяйственные лимитирующие показатели вредности.

2.2.1 Энергетика в экосистемах

Экосистемы представляют собой разновидность открытых ПС, которые должны получать и отдавать энергию и в которых в любом случае выполняются фундаментальные естественные законы, в частности первый и второй законы термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но никуда не исчезает и не создается заново.

55

Второй закон термодинамики или закон энтропии означает, что процессы, связанные с превращением энергии, могут идти самопроизвольно только при условии, что энергия при этом деградирует. В этом случае вещество переходит из более концентрированной формы в более рассеянную форму. Например, из энергии химических связей в тепловую энергию.

Поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность превращения энергии всегда меньше 100%.

Энтропию можно выразить как меру упорядоченности, точнее, неупорядоченности ЭС или как меру количества связанной энергии, которая рассеивается и становится недоступной для использования [13].

Максимум энергии достигается при полном распаде, «растворении» системы в ОС.

Следствием второго закона является тенденция к выравниванию энергетических состояний. Например:

−остывание горячих предметов и нагрев холодных при комнатной температуре;

−естественное «старение» – разрушение материалов, предметов, зданий и механизмов.

Все эти процессы связаны с ростом энтропии.

Итак, самопроизвольно идущие процессы могут вести только к упрощению и распаду.

Пока не выяснено, характерна ли такая тенденция для всей Вселенной.

Однако в живых системах наблюдается не только поддержание стабильности, но и усложнение этих процессов в ходе онтогенеза и в процессе эволюции.

Отечественный ученый Илья Пригожин в 1962 г. разрешил это кажущееся противоречие, показав, что способность к самоорганизации встречается в

56

иерархических системах, обладающих так называемыми

«диссипативными структурами», откачивающими неупорядоченность.

При этом на работу диссипативных структур расходуется специальная дополнительная энергия. Например, дыхание биологических систем можно рассматривать как такую структуру.

Диссипативные структуры – это такие структуры, в

которых идут локальные процессы самоорганизации, несмотря на наличие потерь [14].

Одной из наиболее интересных особенностей диссипативных структур является их когерентность. Это значит, что система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии порядка 10-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была бы «информирована» о состоянии системы в целом. Об общей информативности («разуме») свидетельствует и способность некоторых особей создавать свои колонии только после объединения определенного количества особей в единое целое (осы, пчелы, муравьи).

Для описания поведения энергии в экосистеме используют понятие «поскольку», так как, в отличие от циклических потоков веществ, энергия в экосистемах способна перемещаться лишь в одном направлении.

На все организмы действует поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от ближайших тел.

На внешние слои атмосферы падает поток излучения мощностью примерно 2 ккал/см2 в минуту (так называемая солнечная постоянная), но при прохождении через атмосферу этот поток экспоненциально ослабляется и до