Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
средняя температура которой составляет лишь 218 К (подобно тому, как с Земли в видимой области спектра мы можем наблюдать лишь наружние слои газа на Солнце).
Рис. 3.4. Спектр солнечного излу- Рис. 3.5. Схема спектрального распреде-
чения (Сватков, 1974) ления земного излучения (Сватков, 1974)
Более подробное распределение потоков энергии приводит в своей работе Будыко (Будыко, 1978). По его данным, в среднем за сутки на единицу поверхности Земли падает из космического пространства 340 Вт/м2 энергии, около 102 Вт/м2 сразу же отражается, а из оставшейся энергии 81 Вт/м2 поглощается атмосферой и 157 Вт/м2 — поверхностью Земли. За счет испарения воды с поверхности Земли и конденсации в атмосфере в последнюю переносится еще 88 Вт/м2. К этой величине следует добавить еще 17 Вт/м2 за счет турбулентного потока тепла. Лишь оставшиеся 52 Вт/м2 поверхность Земли излучает в космическое пространство. Гораздо большая часть энергии — 186 Вт/м2 — покидает Землю в виде длинноволнового излучения атмосферы.
По оценке Монина и Сискова (Монин, Сисков, 1979), внутренняя энергия атмосферы составляет 8,6 • 1023 Дж, или 1,7 ¦ 109 Дж/м2. Примерно половина ее 3,6 • Ю23 Дж, или 0,7 • 109Дж/м2, — приходится на долю потенциальной энергии. Для поддержания турбулентных течений, по мнению, авторов, требуется около
4 Вт/м2.
Для оценки потока энтропии в секунду, создаваемого Солнцем, мы предполагаем, что в среднем поглощается 1,2 • 1017 Вт коротковолнового излучения с температурой Т = 5 770 К и испускается такое же количество излучения с температурой Т - 257 К. Тогда экспорт энтропии под действием излучения составляет
? = г1'2'10"Вт (иш -dк)=10'4 Вт/К' (3”>
При этом мы использовали при вычислениях планковский формфактор 4/3 для черного излучения (Fortak, 1979). Действительно, из известных соотношений для плотностей энергии и энтропии черного излучения (Ландау, Лифшиц, 1995) получаем
Je — &Т*, Js = -ffJ1 |
откуда J, = (4/3)Je/T, что и оправдывает множитель (4/3). Приведенному выше значению полного экспорта энтропии соответствует следующая плотность потока энтропии на поверхности Земли:
А = i • 230 Вт/м’ (^JL. - * *1 Вг/Л. (3.100)
Такой экспорт энтропии обеспечивает возможность компенсировать среднюю плотность производства энтропии от 10_3 до 1(Г4Вт/м3К в нижних слоях атмосферы. Экспорт энтропии за счет резервов энергии ядра Земли на несколько порядков меньше. По оценке Жаркова (Жарков, 1983), поток энергии от ядра Земли к поверхности составляет около 0,2 Вт/м2. Если предположить, что температура в ядре Земли находится в интервале от 103 до 104 К, а температура на поверхности Земли составляет около 300 К, то, по оценке, экспорт энтропии за счет теплового потока Земли составляет — 10й Вт/К. Таким образом, коротковолновое солнечное излучение оказывается важнейшим энтропийным насосом Земли. Именно оно является в конечном счете ответственным за многообразные процессы самоорганизации и биологической эволюции на поверхности нашей планеты. Наибольших энергетических и энтропийных затрат при этом требуют погодные и климатические процессы. Хотя остальные вклады в экспорт энтропии относительно малы, в эволюции Земли они тем не менее играют важную роль, в частности являются действующей силой тектонических процессов. Если оценить числа Рэлея для магмы, то при определенных предположениях получаются надкритические значения. Следовательно, в магме должны возникать конвективные течения, которым соответствует рассматриваемый в разд. 4.2 эффект Бенара. Модель таких конвективных магматических течений представлена на рис. 3.6. Действие сил Кориолиса приводит к тому, что эффект Бенара в магме порождает существенно более сложные структуры, чем в простых жидкостях. Аналогичные эффекты играют роль при образовании планетарной системы ветров. Было бы интересно выяснить, не полем ли скоростей магмы на поверхности Земли обусловлены сложные вращательные и трансляционные движения континентальных плит и эффекты образования коры («растекание морского дна»). В том случае, если подобные гипотезы имеют под собой какое-то реальное основание, построение теоретической модели движения магмы позволило бы проследить движения континентов и тем самым достичь более полного и глубокого понимания геологической эволюции. Подобно тому, как ныне долгопериодические колебания климата (например, продолжительности ледовых периодов) успешно моделируются математически на основе (модельных) представлений о нелинейных самовозбуждающихся колебаниях (Монин, Сисков, 1979; Сергии, Сергин, 1978), ответ на вопрос о длиннопериодических колебаниях земного магнитного поля можно надеяться получить с помощью нелинейной математической модели. Некоторые интересные результаты в этом направлении после основополагающих работ Чандрасекара и Рункорна по теории конвекции магмы были получены в последнее время (Монин, Сисков, 1979; Uyeda, 1978; Runcorn, 1962; Монин, 1987).
3.6. Термодинамика самоорганизации живых организмов
