Синергетичне тлумачення процесів формування клімату на планетах Сонячної системи

Мета статті - продемонструвати можливості синергетичного підходу до пояснення факторів формування і причин зміни кліматичних умов на поверхнях планет Сонячної системи.

Поняття клімату виникло ще в Стародавній Греції (від грец. klima - нахил). Термін було запроваджено давньогрецьким астрономом Гіппархом. Люди вже тоді розуміли, що погодні умови залежать від нахилу земної поверхні до сонячних променів. До ХІХ ст. вважалося, що клімат визначається кутовою висотою Сонця над горизонтом. Відповідно до цього виділяли кілька кліматичних поясів (12 або 36), межі яких проходили майже паралельно екватору, але середні погодні умови в цих поясах все одно дещо відрізнялися. А. Гумбольдт (1845) визначив, що «клімат - це специфічна властивість атмосфери, яка залежить від безперервної спільної дії рухомої поверхні моря, збородженої течіями протилежних температур суходолу, який випромінює тепло і виявляє величезну різноманітність щодо своєї орографії, забарвлення та стану покриву». До клімату відноситься те, що не може бути відображене в термінах погоди. кліматичний потепління сонячний

Погода - це сукупність значень метеорологічних параметрів у будь-який момент часу у даній точці простору. Існує межа передбачуваності погоди протягом 2-3-х тижнів.

Під кліматом розуміють усереднені в часі показники, зараз, зазвичай, за цей час беруть 100 років. Виявилося, що середні за сторіччя дані однаково стійкі для всієї планети, тому сам клімат вважається глобальною характеристикою. Вікові зміни поверхонь планет впливають й на зміни клімату. Протягом людського життя (в середньому 75 років) клімат майже не змінюється, тому погода розглядається як щось таке, що коливається біля постійної синусоїди пір року, і помітити мінливість клімату вдалося лише науковцям [15]. Кліматична система включає компоненти, які знаходяться між собою у сильній взаємній залежності: океани, атмосферу, поверхню суходолу, біосферу. І для опису, наприклад, клімату Землі потрібно знати сукупність статистичних характеристик всіх компонентів системи. Період систематичних метеоспостережень складає лише близько 100-150 років, а результати супутникових спостережень взагалі ще зовсім недавні. Прослідкувати за історією клімату Землі вдається лише за надто обмеженим числом показників або опосередкованих ознак.

У 1967 р. було розпочато підготовку міжнародної наукової Програми дослідження глобальних атмосферних процесів за підтримки ООН. Вона мала забезпечити середні прогнози погоди на 3 - 5 днів і довгострокові прогнози терміном на 2 - 3 тижні. На початку 80-х років була прийнята Всесвітня кліматична програма, яка передбачала три складових: збір даних про клімат та використання цих даних на практиці; дослідження впливу клімату на діяльність людини; вивчення змін клімату під впливом природних та антропогенних факторів. Незважаючи на важливість вивчення клімату лише у середині XX ст. наука почала переходити від опису клімату до його пояснення.

Для клімату найважливішим фактором є кількість сонячної енергії [11], що припадає на одиницю площі поверхні Землі за добу. Світлова потужність, що потрапляє на одиничну площадку, або освітленість., пропорційна косинусу кута між напрямком на джерело світла і нормаллю до площадки і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними: E = Ic(a/r)²cos^, де іс = 1360 Вт/м¹ - сонячна стала; а - середня відстань до Сонця. Відстань до Сонця протягом року змінюється в межах 3,3%, тобто різниця в освітленості Землі складає приблизно 7%. Кут нахилу площадки поверхні планети до Сонця змінюється щогодини, щодня, щороку і залежить від широти місцевості. Через велику теплоємність земної поверхні, особливо покритих водою ділянок, її остигання за ніч не дуже значне, і сонячна енергія, що надходить за добу, - є найважливішою характеристикою клімату цієї широти [17]. Теплові характеристики - важливі параметри кліматичної системи. Відбивні властивості поверхні характеризуються таким параметром, як альбедо поверхні; важливі теплові властивості поверхні, теплообмін атмосфери з поверхнями суходолу і океану, рівень океану, положення льодовиків тощо. Математичні моделі загальної циркуляції атмосфери дозволяють відновити режим кліматичної системи з урахуванням цих факторів у різні пори року [5].

Використання чисельних експериментів із різними типами моделей циркуляції атмосфери дозволяє вдосконалювати моделі подальшого розвитку клімату. Знання еволюції клімату важливе для розуміння динаміки процесів його зміни. Основну інформацію дають геологічні та палеонтологічні дані, що доповнюються даними археології та історії, які відносяться до останнього періоду історії Землі. Для отримання даних епохи голоцену використовують відомості з архівів та літописів. За даними палеонтології відновили вигляд поверхні суходолу, його ландшафту, рослинності, орографії, температури поверхні океану тощо. Для кількісних характеристик клімату минулого використовують методи геохімії. Ізотопний аналіз дозволив виділити в історії Землі кілька великих льодовикових епох; остання була близько 650 млн. років тому. Були періодичні похолодання та потепління, змінювався склад атмосфери. Більш надійні дані про клімат є лише за останні 2 млн. років, коли формувалася біосфера (четвертинний період). Тоді температура Землі була близько 15 °С і коливалася за переходу від льодовикових епох до міжльодовикових у межах 5 - 10 °С. За цей період були і тривалі заледеніння (по 70 - 120 тис. років), і більш короткі міжльодовикові періоди (по 15 - 20 тис. років). Ці терміни зовсім не означають, що Земля була в цей період цілком покрита льодом або цілком вільна від нього.

Методами спектрального аналізу різних непрямих кліматичних показників було виділено три періодичності коливань клімату. Період у 100 тис. років пов'язують із таким самим періодом коливання ексцентриситету орбіти Землі, період у 40 - 43 тис. років - із періодичними змінами нахилу екватора до площини орбіти, а період у 19 - 23 тис. років - із прецесією орбіти Землі. Таким чином, зазначена періодичність пов'язана зі змінами в кількості сонячної енергії, що надходить на Землю, яка в свою чергу викликана коливаннями орбіти нашої планети [11]. Початок історії цивілізації припадає на останній міжльодовиковий період, який розпочався близько 10 - 15 тис. років тому, - голоцен. За цей період клімат неодноразово змінювався. Близько 7 - 8 тис. років тому, коли настало потепління після льодовикового періоду, розтанув спочатку Скандинавський крижаний покрив, потім - крига в Північній Америці, а 4,5 тис. років тому - Лабрадорські льоди. Відступила на північ межа зони вічної мерзлоти. Озеро Чад мало розміри Каспійського моря, а рівень води в ньому перевищував рівень води Каспію на 40 м. Близько 4 тис. років тому стало холодніше і сухіше, і багато субтропічних зон стали перетворюватися на пустелі (у Сахарі, Аравії, в долині Інду). Низка цивілізацій перемістилися на височини і в долини річок Тигру, Євфрату та ін. Потепління відзначалося у VIII - XII ст., потім у XIV - XIX ст. - похолодання, а зараз - знову потепління. Діяльність людини вносить дедалі більші «корективи» у перебіг цих процесів [12, С. 575].

Випромінювання Сонця в момент його утворення було на 30% слабше за нинішнє, а потім світність Сонця почала зростати пропорційно з плином часу. Цей, так званий, парадокс молодого Сонця повинен був позначитися на кліматі планет: якби атмосфера Землі 4 млрд. років тому була такою, як зараз, то вона перебувала б у замороженому стані ще 2 млрд. років тому. Але дані з вивчення осадових порід цього не підтверджують. Принаймні 3,8 млрд. років тому на Землі вже були океани, тому мала змінитися й земна атмосфера. Планети земної групи, мабуть, колись були схожі одна на одну. Вони складалися майже з однакових порід, мали подібні за складом атмосфери і були достатньо масивними, щоб утримувати воду на поверхні. Різниця в кліматі на планетах виникла через різний кругообіг вуглекислого газу за обміну ним між корою та атмосферою [1]. Як і водяна пара, вуглекислий газ - це парниковий газ, оскільки він, пропускаючи сонячне світло, поглинає тепло планети і перевипромінює частину його знову до поверхні. Розрахунки показують, що помірний клімат Землі зобов'язаний своїм походженням особливостям механізму газового обміну: за охолодження планети кількість вуглекислого газу в атмосфері збільшується, і навпаки. Марс втратив здатність повертати газ в атмосферу, тому він «заледенілий», Венера, навпаки, не має механізму виведення вуглекислого газу з атмосфери, а Меркурій взагалі не здатний утримати атмосферу, і Сонце цілком визначає температуру його поверхні.

Клімат змінювався разом із еволюцією планет. Припускають, що у далекому минулому був значний парниковий ефект, і аміак (ефективний поглинач інфрачервоного випромінювання) міг би створити тепліший клімат на Землі, якби складав хоча б соті частки відсотка складу повітря. Але під дією світла аміак розкладається на азот і водень - гази, які не створюють парникового ефекту, і він повинен був постійно виділятися з надр планети задля збереження тепла планети. Вуглекислий газ не так швидко руйнується світлом, його досить багато на Землі (хоча в атмосфері його тиск всього 30 Па, але наявність його в карбонатних породах достатня для створення тиску і в 6 * 10⁶ Па). Якби в початковій атмосфері Землі його було навіть кілька тисяч Паскалів, то створюваного ним парникового ефекту було б достатньо для того, щоб вода не замерзала. За оцінками М. Хартра, зниження вмісту СО2 в атмосфері відбувається зі швидкістю, яка компенсує зростання світності Сонця. Порівнюючи аналогічні розрахунки щодо різних відстаней Землі від Сонця, він отримав, що за відстані від Сонця меншій від 1 а.о. на 5% атмосфера нагрілася б настільки, що океани випарувалися б в результаті зростаючого парникового ефекту, а на відстанях, більших на 1%, - відбувалися б процеси наростаючого заледеніння, тобто лише у вузькій смужці відстаней між 0,95 і 1,01 а.о. Земля змогла уникнути цієї «катастрофи клімату» [12, С. 576].

Цей режим саморегуляції, або негативного зворотного зв'язку, забезпечив нашій планеті стійкість клімату [15]. Навряд, що поява життя на

Землі у такому вузькому кільці Сонячної системи - це випадковість. Швидше за все, вміст СО2 змінювався відповідно до зміни температури поверхні Землі. Цей зворотний зв'язок міг забезпечуватися карбонатно-силікатним геохімічним циклом, який здатний відповідати за 80% обміну СО2 між планетою та її атмосферою на часових інтервалах понад 0,5 млн. років.

Початком циклу карбонатного метаболізму можна вважати розчинення атмосферного вуглекислого газу у водяних краплинах та утворення вугільної кислоти. Дощові опади руйнували гірські породи, що складалися зі сполук кальцію, кремнію та кисню. Вугільна кислота вступала в реакцію з породами на поверхні, вивільняючи йони кальцію і бікарбонату, які потрапляли в ґрунтові води, а потім в океан, де осідали в скелетах і раковинах планктону та інших організмів, що складаються з карбонату кальцію (СаСОз). Останки цих організмів відкладалися на океанському дні, формуючи осадові породи [2]. Дно моря розширювалось, через багато тисяч років ці породи наблизилися до країв континентів. Дно підтягувало їх під берег, вони потрапляли до земних надр, де на них діяли тиск і температура. Карбонат кальцію з'єднувався з кремнієм, утворюючи силікатні породи та виділяючи вуглекислий газ. Газ знову потрапляв в атмосферу через виверження вулканів і серединно- океанічні хребти. Цикл завершувався [13].

Зміни температури земної поверхні впливають на кількість СО2 в атмосфері і інтенсивність парникового ефекту. Нехай з якоїсь причини на Землі стало прохолодніше. Тоді менше води випарується з океану, менше випаде дощів, зменшиться ерозія ґрунту, що спричинюється опадами. Для СО2 зменшиться швидкість вивільнення з атмосфери, а швидкість його регенерації в процесі карбонатного метаболізму та надходження в атмосферу залишиться на попередньому рівні [1]. Якщо СО2 накопичуватиметься, то посилиться й парниковий ефект і відновиться тепліший клімат. Якщо ж з якоїсь причини на Землі станеться потепління, зворотний зв'язок спрацює в інший бік і рівновага знову відновиться. Припустимо, що всі океани вимерзли, дощі припинилися, вміст СО2 в атмосфері зріс. За сучасної швидкості його виділення тиск у 10⁵ Па створиться ним протягом 20 млн. років, такої кількості вуглекислого газу вистачить на підвищення середньої температури до + 50 °С. Отже, крига розтане, і для життя знову відновиться нормальний клімат [13].

У кругообігу вуглекислого газу велику роль відіграють організми, які визначають зміни клімату [18]. Близько 20% СО2, який не бере участі в карбонатно-силікатному обміні, виводиться з атмосфери фотосинтезуючими рослинами. За гниття рослин та процесів окислення в ґрунті СО2 накопичується, і у ґрунті його виявляється більше, ніж було 400 млн. років тому до появи рослин. Таким чином перетворення силікатних матеріалів на осадові карбонатні породи відбувається швидше [2]. За розрахунками зникнення рослин підвищило б температуру поверхні Землі на 10 °С за рахунок негативного зворотного зв'язку силікатно-карбонатного циклу [12, С. 577].

У багатьох геохімічних процесах, у тому числі й в кругообігу азоту, вуглецю та сірки, ключову роль відіграють бактерії. Якби ці процеси припинилися, то ґрунт, атмосфера і вода стали б непридатними для жодних форм життя, тому ці примітивні одноклітинні організми можна назвати «організаторами» життя на Землі. Збільшення температури та збільшений парниковий ефект створили б на Землі клімат, який був у середині крейдяного періоду 100 тис. років тому: теплий і придатний для деяких форм життя (включаючи й динозаврів). За розрахунками лише водяна пара, що дає зараз найбільший внесок у парниковий ефект, не змогла б забезпечити стабільні теплові умови на планеті за змін світності Сонця.

Якби подібні процеси існували на Марсі, вони не змогли б утримати клімат у достатньо вузьких межах. В атмосфері Марса вуглекислий газ створює тиск лише 600 Па, що дозволяє забезпечити парниковий ефект лише на рівні 6 °С. Світлини, які отримані космічними станціями «Марінер» та «Вікінг», підтвердили, що поверхня Марса покрита каналами, які могли утворитися за виходу на поверхню глибинних вод, коли на Марсі було тепліше. Геологи не визначили, наскільки колись температура Марса була вищою. Можливо, тоді було більше (разів у 100) вуглекислого газу, що забезпечує парниковий ефект. Але Марс порівняно менший із Землю за масою майже в 10 разів, і кругообіг СО2 на ньому повинен бути слабшим. Оцінки віку каналів за кількістю метеоритних кратерів, які їх покривають, показують, що вони «старші» від 3,8 млрд. років. Уповільнення процесу кругообігу СО2 відбулося через механізм повернення газу в атмосферу, оскільки на Марсі, ймовірно, тектоніка плит не була настільки виражена. Вулканічна лава покривала карбонатні залишки, вони поринали на глибини, де під впливом тиску вивільнявся газоподібний СО2, і за оцінками, так могло тривати приблизно 1 млрд. років. Мабуть, Марс через менші розміри охолоджувався швидше, ніж Земля: у нього було менше внутрішнього тепла, яке він через більше відношення площі поверхні до об'єму швидше втрачав, його надра охолоджувалися, втрачаючи здатність вивільняти вуглекислий газ із порід. Вуглекислий газ з атмосфери поступово накопичувався в ґрунті, кора планети ставала дедалі тоншою, змінюючи клімат, і зараз Марс має воду лише у замороженому стані [12, С. 578].

На Венері майже немає води. Одні вчені вважають, що її там було не більше, ніж потрібно для утворення гідратованих мінералів, оскільки Венера утворилася із надто гарячої частини туманності; інші - що води було майже стільки, скільки й на Землі, але вона, потрапивши у верхні шари атмосфери, розпалася під дією сонячного світла, а водень вилетів у космічний простір [4].

Концепцію наростаючого парникового ефекту для планет запропонував Хойл (1955). Зараз вважається більш вірогідною теорія вологого парника, оскільки за тиску 10⁵ Па і водяної пари, і вуглекислого газу, водяна пара зайняла б 50% об'єму, і більша частина її залишила б атмосферу [1]. Повітря в такій атмосфері охолоджувалося б повільно, на висотах близько 100 км утворилася б холодна «пастка» (шар, де низька температура і високий тиск створюють мінімум точки насичення). У ній і відбувалася б фотодисоціація води, а через її розташування на великій висоті водень «вислизав» би в Космос. Для порівняння: у Землі така пастка розташована на висоті між 9 і 16 км (поблизу межі тропосфери і стратосфери), тому тут водяна пара встигає сконденсуватися, стратосфера виявляється сухою, не дозволяючи випаруватися водню. Так до свого сухого та гарячого стану прийшла й атмосфера Венери. Якщо там і були океани, то вони поступово випарувалися, припинилося утворення карбонатів, СО2 став накопичуватися в атмосфері. Газоподібні сполуки сірки добре розчиняються у воді. Спочатку їх було мало, але потім вони стали накопичуватися та утворювати хмари із сірчаної кислоти, з яких зараз й складається атмосфера Венери. До неї приходить сонячного світла майже вдвічі більше, ніж до Землі, але її кислотні хмари відбивають до 80% світла, і вона отримує теплоти та світла від Сонця менше, ніж Земля. За відсутності парникового ефекту Венера була б не набагато теплішою за Марс і холоднішою за Землю [12, С. 579].

Світність Сонця зростає приблизно на 1% кожних 100 млн. років, тобто через 1 млрд. років на Землі можуть виникнути умови, що будуть загрожувати існуванню життя та збереженню води на ній. Багато із механізмів негативного зворотного зв'язку, які сприяли стабілізації клімату на Землі протягом 4,5 млрд. років, могли б діяти і на іншій планеті, розташованій далі від Сонця в розширеному сучасними розрахунками коридорі до 1,5 а.о., або на Марсі, якби він був більший сам і більшою була б його атмосфера. Отже, вже знайдено смугу умов існування життя для виявлених біля певної зірки планет. Поверхня Землі поки що уявляється нам «космічною чашкою Петрі», де життя могло зародитися та еволюціонувати до досить складних форм.

У природі постійно спостерігаються упорядковані макроскопічні процеси - вітер, утворення хмар, випадання опадів, течії річок і т. п.. Упорядкований рух молекул речовини завжди протиставляється хаотичному (нескорельованому) тепловому рухові молекул. Молекули, які утворюють макроскопічний рух, взаємодіють з молекулами середовища, в якому відбувається цей рух. За цього виникає велика кількість можливих кінцевих станів - упорядкований скорельований рух молекул буде розпадатися і переходити у неупорядкований хаотичний рух: енергія упорядкованого руху зазнає дисипації - перетворюється в теплову енергію. Це й сприймається як перехід від упорядкованості до хаосу [15]. З причини безперервних процесів розпаду і дисипації енергії спостережуваний упорядкований процес підтримується, якщо існує приплив енергії від іншого упорядкованого процесу (наприклад, від зовнішнього середовища).

Ріки течуть тому, що безперервно випадають опади; наявність опадів визначається утворенням хмар; утворення хмар пов'язане з конденсацією пари води. Прихована теплота пароутворення, яка виділяється за конденсації, генерує макроскопічний рух молекул, виникають циклони, смерчі, торнадо, які супроводжуються сильними вітрами. Енергія вітру також поступово розсіюється, перетворюючись у тепло. Випаровування, опади і вітер виникають тому, що Земля безперервно отримує сонячну енергію. Саме сонячна енергія генерує на Землі всі види упорядкованих макроскопічних процесів. Тепло, в яке переходить (дисипує) сонячна радіація, розсіюється в космічний простір у вигляді теплового випромінювання. В результаті цього середня температура Землі залишається приблизно постійною [11].

Вся різноманітність спостережуваних макроскопічних процесів являє собою різні види руйнування початкових упорядкованих станів систем і дисипації накопиченої в них енергії. Процеси руйнування (розпаду) характеризуються напрямком і тривалістю часу розпаду. За відсутності руйнування (деградації) вихідних станів систем процеси характеризуються лише швидкостями зміни вимірюваних величин: потоками, швидкостями руху, частотами коливань тощо. Будь-які спостережувані у повсякденному житті, і які реєструються в експериментах події, складаються з необоротних процесів руйнування початкових станів [10, С. 41 - 42].

Клімат земної поверхні визначається середнім розподілом сонячної енергії по різних генерованих нею макроскопічних процесах з врахуванням видів і частоти всіх можливих флуктуацій, що спричинюють руйнування (деградацію) вихідних станів систем.

Вважається, що сонячне випромінювання близьке до рівноважного випромінювання «абсолютно чорного тіла», яке описується формулою (розподілом) М. Планка і має температуру Тс ~ 5770 К. Середня температура поверхні Землі складає Тз ~ 288 К (15 °С). Завдяки великій різниці температур цих тіл сонячне випромінювання для Землі являє собою практично чисте джерело вільної енергії, яка може перетворюватися в упорядковані макроскопічні «рухи» систем.

Потужність сонячного випромінювання, яке падає на всю Землю за межами її атмосфери, дорівнює:

п Яз² іс = 4п Яз² і = 1,7-10¹⁷ Вт; Ic = 4I = (1367±3) Вт/м²; I = 340 Вт/м², (1)

де іс - сонячна стала, природні зміни якої не перевищують 0,1%; Яз - радіус Землі; I - середній потік випромінювання на одиницю площі земної поверхні.

Сонячна енергія, що падає на переріз Землі площею п Яз², розподіляється потім по всій поверхні Землі площею 4п Яз² за рахунок обертання Землі і енергетичних потоків у атмосфері і океані [7]. Величина І визначається орбітою планети за повного поглинання всієї падаючої сонячної енергії. У дійсності частина сонячної енергії відбивається від поверхні планети, в результаті чого планети стають видимими на фоні зоряного неба. Ця відбита частина сонячної енергії називається планетарним альбедо (А). Земне альбедо приблизно складає 30%, яке на 83% визначається відбиванням атмосфери і лише 17% - поверхнею Землі. Середній, поглинутий Землею (разом з атмосферою), потік сонячного випромінювання на одиницю площі земної поверхні складає:

Іср = I (1 - А) = 240 Втім². (2)

Атмосферою поглинається біля третини Іср. В результаті середній потік сонячного випромінювання, який потрапляє на поверхню Землі, послаблюється порівняно з падаючим І (1) приблизно удвічі і складає біля:

І0 ~ 150 Втім². (3)

Ця величина практично вичерпує всю вільну енергію, яку земна поверхня отримує з космосу [17].

Абсолютна температура повітря Землі є величиною, пропорціональною середній енергії руху його молекул. Абсолютна температура поверхні Сонця Тс пропорціональна середній енергії фотонів сонячної радіації. Аналогічно абсолютна температура поверхні Землі Тз пропорціональна середній енергії фотонів теплового випромінювання Землі. У рівноважному стані, коли температура Землі не змінюється, енергія сонячного випромінювання, яке падає на Землю, співпадає з енергією зворотного випромінювання Землі. Це означає, що кожен фотон сонячного випромінювання «розпадається» в середньому на по = ТС і Тз ~ 20 фотонів теплового випромінювання, яке випромінюється Землею назад у космічний простір. Вважається, що саме завдяки розпаду сонячних фотонів і відбувається генерація всіх спостережуваних упорядкованих процесів на земній поверхні, зокрема й змін клімату [9].

Якби Сонце посилало на Землю таку ж енергію у формі теплового випромінювання яку випромінює Земля (тобто, щоб Тс = Тз), то температура Землі підтримувалася б виключно на попередньому рівні, але розпад сонячних фотонів, а, отже й генерація всіх упорядкованих процесів була б неможливою. Земля була б теплою, але на ній не відбувалося б жодних процесів і не могло б існувати життя.

Абсолютна величина парникового ефекту для Землі складає ~ 160 Втім². Біля 100 Втім² він створюється парою води, відносний вміст якої в атмосфері складає за об'ємом 0,3%. Приблизно за 50 Втім² відповідає газ СО2, вміст якого ~ 0,03%. Решту частини парникового ефекту визначають гази СЩ, N2O і Оз, загальний вміст яких в атмосфері не перевищує 3-10"⁴% [6].

Атмосфера, що створює парниковий ефект, являє собою багатошарове утворення, подібне до «теплої шуби». Потік відведеного тепла пропорціональний градієнту температури між шарами «шуби». За заданих зовнішнього потоку тепла і зовнішньої температури внутрішня температура зростає пропорціонально до товщини «шуби». «Шуба» спрямовує частину випромінюваного планетою тепла назад. Температура земної поверхні визначається спостережуваним градієнтом атмосферної температури gradT ~ 5,5 °С/км і ефективною товщиною атмосфери ~ 6 км. Практично до такої висоти градієнт атмосферної температури залишається сталим і відповідно спад температури складає 5,5 °С/км х 6 км = 33 °С [10, С. 67].

На відміну від «шуби» у парниковому ефекті джерело тепла виявляється зовнішнім - атмосфера прозора для сонячного випромінювання і мало прозора для теплового.

За відсутності атмосфери і за нульового альбедо температура планети визначається сонячною сталою, яка залежить лише від радіуса орбіти планети. Для Землі ця температура складає 278 К. Наявність альбедо Землі знижує температуру на 23 °С (до - 18 °С), а парниковий ефект підвищує температуру на 33 °С (до + 15 °С). На Венері ці зміни сягають сотень градусів. Таким чином, приповерхнева температура планети, яка має атмосферу, практично цілком визначається не її орбітальним розташуванням, на яке біота планети не може вплинути, а величиною альбедо і парникового ефекту, які можуть цілком перебувати під контролем біоти [10, С. 69].

Додатковий до сонячного глобальний потік енергії, який виникає внаслідок спалювання викопного палива, досяг 10¹³ Вт, або 0,02 Вт/м². У той же час антропогенне зростання концентрації парникових газів (СО2, СН4, N2O, Оз, CFC-1, CFC-12 тощо) призвело до зростання майже в 100 разів парникового «тиску» теплового випромінювання поверхні Землі, в сукупності на 2 Вт/м², що відповідає глобальній додатковій потужності 10¹⁵ Вт. Розрахунки показують, що ця теплова потужність поки що може призвести лише до зростання температури Землі і не може змінити хід упорядкованих процесів, які підтримуються сонячною потужністю і потужністю спалювання викопного палива [10, С. 69].

Термодинамічна рівновага фізичних і хімічних систем характеризується стійкістю значень за будь-якою змінною (параметром), що їх описують (тиск, об'єм, температура, концентрація елементів у різних фазових станах тощо). Збурення (вимушена зміна) будь-якого параметра призводить до виникнення компенсуючих процесів, які повертають систему до рівноважного стану. Ця властивість до рівноваги, як добре відомо, носить назву принципу Ле Шательє [8].

Проте, за значних збурень, пов'язаних зі збільшенням маси, зміною об'єму або внутрішньої енергії системи, стійкий стаціонарний стан встановлюється в новому положенні рівноваги - і цей стан виявляється відмінним від стійкого стаціонарного стану, у якому система перебувала до збурення [15]. Аналогічним чином можуть бути описані й стійкі стани динамічної рівноваги («дисипативних структур») у зовнішньому потоці енергії, частковим випадком яких є фізичні і хімічні стани планет Сонячної системи, на яких життя відсутнє.

Підтримання придатного для життя стану оточуючого середовища протягом мільярдів років, незважаючи на безперервні впливи сильних геофізичних і космічних збурень, однозначно вказує на те, що цей стан є стійким. Стійкість протягом геологічних періодів часу порядку сотень тисяч і мільйонів років характеризується збереженням придатних для життя температури, тиску і концентрації речовин у різних фазових станах, не дивлячись на чергування льодовикових, міжльодовикових і безльодовикових періодів [3]. Стійкість оточуючого середовища протягом періодів порядку тисяч років і менших характеризується строгою сталістю практично всіх його характеристик [9], і жодних поступальних зсувів стаціонарного стану не відбувається. Виникає питання, чи підтримується ця стійкість фізичними причинами, чи вона визначається існуванням життя. Відповідь на це питання може мати два аспекти.

По-перше, якби стійкість оточуючого середовища на Землі пояснювалася лише фізичними причинами, то положення рівноваги повинне було б постійно зміщуватися під впливом спрямованих зовнішніх (по відношенню до оточуючого середовища) збурень. Цей зсув повинен був би обов'язково призвести до виходу за межі, які придатні для існування життя. Наприклад, за відсутності депонування органічного вуглецю в осадових породах, вміст неорганічного вуглецю в оточуючому середовищі, в основному, у вигляді СО2, повинен був би за останні 6-10⁸ років зрости на чотири порядки порівняно з сучасним його значенням [13]. Це могло б призвести до катастрофічного наростання парникового ефекту і підйому температури вище точки кипіння води. Сонячне випромінювання збільшилося за час існування життя (3,5^10⁹ років) приблизно на 30%, що також повинно було б підняти приземну температуру до непридатного для життя значення [7]. Кисень атмосфери повинен був би задіяний на окислення вулканічних викидів за час порядку 10⁸ років, а азот атмосфери перейти у зв'язані розчинні у воді сполуки [10, С. 72].

По-друге, стаціонарність сучасного клімату, мабуть, не є стійкою у межах похибок існуючих вимірювань. У всіх вимірюваннях і розрахунках можуть бути враховані лише фізичні, а також деякі незначні хімічні зворотні зв'язки. В роботах В.Г. Горшкова [7 - 10 та ін.] однозначно показано, що спостережуваний ріст парникового ефекту пов'язаний зі збільшенням вмісту водяної пари з підвищенням температури. Проте, не дивлячись на величезну змінність абсолютного вмісту водяної пари в атмосфері, відносна вологість (відношення концентрації пари до її насичуючої концентрації за даної температури) варіює значно менше і за першого наближення може вважатися постійною [10, С. 73]. Тоді, в залежності від температури, концентрація пари води в атмосфері співпадає зі змінами її насичуючої концентрації. Така поведінка, як відомо, описується експонентою розподілу Больцмана:

n = no ехр(-П/ kT), (4)

де в якості енергії П необхідно підставити приховану енергію випаровування води 40,5 кДж/моль. Використавши це значення, отримаємо, що концентрація пари води зростає приблизно удвічі за умови зростання температури на кожні 10 °С. Саме цей факт і призводить до посилення парникового ефекту [10, С. 73 - 74].

Таким чином, за відсутності зворотних зв'язків парникового ефекту і альбедо приземна температура повинна повертатися до нормального значення через час порядку 10 років після припинення дії збурення.

Основні парникові гази (СО2, СН4, N2O, Оз) в атмосфері розподілені відносно рівномірно і для встановлення зворотних зв'язків між концентрацією цих газів і температурою Землі доводиться звертатися до минулих епох. Найбільш повна інформація про ці зворотні зв'язки отримується з аналізу складу льодових кернів відомого віку. Проте, таким шляхом можна встановити лише фізико-хімічні зворотні зв'язки. Можливий контроль біотою стану оточуючого середовища повністю випадає з такого методу аналізу. Більше того, мабуть, неможливо визначити всі ступені вільності стану оточуючого середовища, які контролюються біотою, через те, що інформаційна потужність біоти на 15 порядків перевищує інформаційну потужність, досягнуту за весь період існування цивілізації [10, С. 75].

Висновок

Таким чином, стійкий стан повного обледеніння (типу Марса) або повного випаровування рідкої фази (типу Венери), мабуть, невідмежовані від існуючого стаціонарного стану жодними фізичними бар'єрами, і збереження наявного стану оточуючого середовища (без врахування біотичного контролю) залишається досі незрозумілим. Єдиним поясненням спостережуваної стійкості оточуючого середовища є функціонування природної біоти, сенс існування якої полягає у підтриманні оптимальних для життя умов. На відміну від фізичної стійкості, контрольованої фізичним принципом Ле Шательє, біотичний контроль оточуючого середовища не призводить до зміщення стійкого стану під впливом зовнішніх збурень. Біотичну стійкість оточуючого середовища можна було б назвати «біотичним принципом» Ле Шательє, під яким розуміються біотичні негативні зворотні зв'язки за всіма змінними, що характеризують біоту і оточуюче середовище, і які повністю компенсують всі зовнішні збурення і не призводять до зсуву положення рівноваги [10, С. 75].

Література

1. Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу. Ленинград: Гидрометиздат, 1985. 351 с.

2. Бримхолл Дж. Образование руд. В мире науки, №7, 1991. С. 40 - 49.

3. Брокер У.С., Дентон Дж.Г. В чем причина обледенения? В мире науки, №3, 1990. С. 31 - 39.

4. Бронштейн В.А. Планеты и их наблюдение. Москва: Наука, 1984.

5. Василькова Н.Н. Циклы и ритмы в природе и обществе. Моделирование природных периодических процессов. Таганрог, 1995.

6. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. Москва: Наука, 1995. 339 с.

7. Горшков В.Г. Энергетические потоки биосферы и их потребление человеком. Изв. ВГО, 1980. Т. 112, №5, С. 411 - 417.

8. Горшков В.Г., Кондратьев К.Я., Шерманс С.Г. Принцип Ле Шателье в реакции биоты на возмущение атмосферной двуокиси углерода. Изв. ВГО, 1989. Т. 121, в. 4, С. 284 - 293.

9. Горшков В.Г. Термическая устойчивость климата. Изв. РГО, 1994. Т. 216, в. 3, С. 26 - 35.

10. Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. Москва: ВИНИТИ, 1995. 470 с.

11. Дейвис Г.Р. Энергия для планеты Земля. В мире науки, №11, 1990. С. 7 - 16.

12. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Москва: ИЦ «Академия», 2003. 608 с.

13. Килинг Ч.Д. Циклы двуокиси углерода. В кн.: Химия нижней атмосферы. Москва: Мир, 1976. С. 311 - 359.

14. Краснобокий Ю.М., Ткаченко І.А., Гребеніченко Д.І. Моделювання майбутнього Землі як планети за можливих змін її астрофізичних параметрів. Eurasian scientific congress. Abstracts of the 4th International scientific and practical conference. Barca Academy Publishing. Barcelona, Spain. 2020. Pp. 227 - 234.

15. Николис Дж., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. Москва: Мир, 1979. 512 с.

16. Ткаченко І.А., Краснобокий Ю.М. Про можливі наслідки змін деяких параметрів нашої планети. «Світ наукових досліджень. Випуск 12»: матеріали Міжнародної мультидисциплінарної наукової інтернет-конференції, (м. Тернопіль, Україна - м. Переворськ, Польща, 29 - 30 вересня 2022 р.); ГО «Наукова спільнота»; WSSG w Przeworsku - Тернопіль: ФО-П Шпак В.Б. 316 с.

17. Шелепин Л.А. Солнечная активность и Земля. Москва: Знание, 1980.

18. Шнайдер С.Г. Меняющийся климат. В мире науки, 1989, №11, С. 26 - 36.

References

1. Bratsert, U.H. (1985). Isparenie v atmosferu [Evaporation to the atmosphere], 351 [in Russian].

2. Brimholl, Dzh. (1991). Obrazovanie rud [Ore formation]. V mire nauki, №7, 40 - 49 [in Russian].

3. Broker, U.S., Denton, Dzh.G. (1990). V chem prichina obledenenija? [What is the cause of icing?] V mire nauki, №3, 31 - 39 [in Russian].

4. Bronshtejn, V.A. (1984). Planety i ih nabljudenie [Planets and their observation], [in Russian].

5. Vasil'kova, N.N. (1995). Cikly i ritmy v prirode i obshhestve [Cycles and rhythms in nature and society]. Modelirovanie prirodnyh periodicheskih processov, [in Russian].

6. Vernadskij, V.I. (1995). Himicheskoe stroenie biosfery Zemli i ee okruzhenija [Chemical structure of the Earth's biosphere and its environment], 339 [in Russian].

7. Gorshkov, V.G. (1980). Jenergeticheskie potoki biosfery i ih potreblenie chelovekom [Energy flows of the biosphere and their consumption by humans], 411 - 417 [in Russian].

8. Gorshkov, V.G., Kondrat'ev, K.Ja., Shermans, S.G. (1989). Princip Le Shatel'e v reakcii bioty na vozmushhenie atmosfernoj dvuokisi ugleroda [Le Chatelier's principle in the response of biota to a perturbation of atmospheric carbon dioxide], 284 - 293 [in Russian].

9. Gorshkov, V.G. (1994). Termicheskaja ustojchivost' klimata [Thermal climate stability], 26 - 35 [in Russian].

10. Gorshkov, V.G. (1995). Fizicheskie i biologicheskie osnovy ustojchivosti zhizni [Physical and biological foundations of life sustainability], 470 [in Russian].

11. Dejvis, G.R. (1990). Jenergija dlja planety Zemlja [Energy for planet Earth]. V mire nauki, №11, 7 - 16 [in Russian].