Самоорганизация при образовании планет и взаимодействии геосфер

До недавнего времени считалось, что можно рассматривать моря, леса, горы, атмосферу не только отдельно друг от друга и от всего живого мира, но и по частям или слоям. Тесная взаимосвязь между ними делает такой подход подчас бессмысленным, требует единого подхода. В какой-то степени это следствие успе-

хов аналитического естествознания. В. И. Вернадский, разрабатывая модель биосферы, неоднократно отмечал, что Гете мыслил синтетически, не признавая возможности деления природы на части и считая, что ее можно изучать как целое. И Вернадский внес количественные оценки в качественную модель Гете. Для описания природы (особенно в биологии и геологии) практически нельзя пользоваться моделями, которые «отрицают стрелу времени».

Окружающий нас мир, от элементарных частиц до галактик и биосферы, существенно далек от равновесия. В галактиках идет постоянный обмен веществом и излучением между звездами и межзвездными облаками. Внутри звезд протекают грандиозные неравновесные процессы, особенно сильные в пульсирующих звездах типа цефеид. В недрах звезд происходят мощные термоядерные реакции с выделением огромной энергии. На конечных стадиях жизни в звездах типа белых карликов вещество как бы конденсируется в одну гигантскую «молекулу», находящуюся в нижнем квантовом состоянии, резко уменьшающем энергетические потери. В нейтронных звездах возникает упорядоченное состояние вещества, которое похоже на явление сверхтекучести.

Явление самоорганизации было обнаружено в кольцах Сатурна — шестой по порядку от Солнца и второй по величине планете Солнечной системы. По массе она в 3 раза меньше Юпитера, так как ее плотность всего 0,7 г/см³, и состоит она в основном из водорода и гелия. Колец у Сатурна несколько, их толщина менее 3,5 км, а диаметр внешнего из них 275 тыс. км. Они охватывают планету по экватору, никогда не соприкасаясь с ее поверхностью, и вращаются вокруг нее под углом 27° к экватору, поэтому можно видеть кольца то с одной, то с другой стороны. Внутренние кольца вращаются с большей скоростью, чем внешние. Было установлено, что кольца — это плоская система из огромного числа мелких спутников планеты. Их спектры содержат линии, характерные для чистого льда и водяного инея. Среди 24 «настоящих» спутников Сатурна один из самых больших спутников в Солнечной системе по размерам и массе — Титан — имеет атмосферу, состоящую в основном из метана и водорода.

Когда Гюйгенс догадался, что Сатурн окружен «тонким и плоским кольцом», это было столь неожиданно, что он зашифровал свою идею. Кольца Сатурна исследовал Ж.Д.Кассини (1675), установивший промежуток между кольцами А и В (щель Кассини), а его сын, Ж. Кассини, высказал идею метеоритного строения колец. Сквозь щели между тремя кольцами просвечивают звезды. И.Кант описал (1755) кольца как послойно вращающийся разреженный диск сталкивающихся частиц, который из-за этих соударений разбивается на узкие колечки. Исследования Лапласа по устойчивости колец продолжил Максвелл. Он показал, что кольцо не может быть плотным и привел уравнение (называемое сейчас дисперсионным), определяющее собственные частоты колебаний колец.

Среди колец Сатурна есть кольца, названные именами Гюйгенса и Максвелла.

Американскими астрономами с борта «Боинга» были открыты 9 колец Урана (1977). Эти кольца оказались очень четко очерченными, без всякой диффузии на краях. В 1986 г. космический аппарат «Вояджер-2» впервые приблизился к Урану, открыв 10 новых спутников и еще 2 кольца. В середине 80-х гг. обнаружили кольца возле Нептуна. Открыты кольца шириной 1000 км и у Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы, радиус которой больше земного в 11 раз. Изучение планетных колец показало, что наблюдаемые явления могут быть объяснены столкновениями и коллективными взаимодействиями частиц. Эти пространственные структуры образуются благодаря тому, что в энергетическом отношении они — открытые системы, способные к самоорганизации. Эти выводы проецируются на явления в протопланетном облаке и раскрывают космогонию планет.

В строении колец были обнаружены различные неустойчивости: гравитационная — делит диск на кольца, ширина которых примерно одного порядка с их толщиной; аккреционная (от лат. accretio — приращение, увеличение) — влияет на крупномасштабное расслоение колец; энергетическая (или тепловая) — перемешивает частицы так, что возможны эффекты типа «отрицательной диффузии» — продвижение частиц в более плотные области. В силу действия последней кольца работают как тепловая машина, или открытая система, — энергия орбитального движения из-за вязкого трения превращается в теплоту, уносимую в пространство. Математически прирост плотности кольца описывается так же, как возникновение молекул и радикалов в химических реакциях. Внешние спутники вызывают ряд резонансных явлений в дисках. Так, наблюдаемые щели в кольцах имеют резонансную природу. Щель Кассини в кольцах Сатурна вызывается мощной спиральной волной спутника Мимас, коллективные свойства которой позволяют ей распространиться далеко от точки резонанса. Пыль стабилизирует вихревые процессы внутри спиральной волны. Общая картина взаимосвязей внутри Солнечной системы столь многообразна, что Солнце, планеты, спутники, кольца, околосолнечное и межпланетное пространства образуют целостную и существенно неравновесную нелинейную систему. Конечно, энергетический вклад Земли, например, по сравнению с энергетическими характеристиками солнечных процессов очень мал, но в системах, далеких от равновесия, и малые величины могут при определенных обстоятельствах привести к значительным последствиям.

За счет изменений солнечной активности в Солнечной системе становится переменным поток излучаемой энер-

гии. Хотя возникающие вариации излучений малы (порядка 0,1 % общей энергии излучения Солнца), порождаемый ими солнечный ветер может колебаться в интервале двух порядков величины, существенно влияя на планетные магнитосферы и процессы в атмосфере. При этом интенсивность излучения в оптическом «окне прозрачности» атмосферы почти не зависит от солнечной активности, а интенсивность проникающего радиоизлучения, зависящего от нее, очень мала. Ускоренные во вспышках частицы (солнечные космические лучи) преодолевают магнитные поля в атмосфере Солнца, межпланетном и околоземном пространствах (рис. 10.7). Вблизи Земли они вступают в непосредственное взаимодействие с частицами ионосферы и атмосферы, вызывая геофизические явления типа усиленного поглощения коротких радиоволн, приходящих из космоса.

Достаточно устойчивые радиационные пояса Земли, занимающие огромное пространство, которое заполнено заряженными частицами, защищают Землю. Магнитное поле Земли удерживает и перераспределяет потоки космических лучей. Эти области остро реагируют на магнитные бури, происходящие на Солнце. Исследователи земного геомагнетизма С.Чепмен и В.Ферраро показали (1940), что магнитное поле Земли начинает чувствовать воздействие внешнего потока заряженных частиц при плотностях, больших 10⁴ м^-3. Критическое значение плотности связано со скоростью частиц v простым соотношением: п = 6,8 • 10^–11v (м^-3), где v в

(м с^-1). Отсюда можно вычислить плотность и спокойного солнечного ветра (Е= 10 эВ, v = 10⁴ м • с^-1), п = 10^-6 м^-3, и возмущенного (Е = 10³ эВ, v = 4,35 • 10⁵ м • с^-1), п = 10^-5. Для солнечных космических лучей Е – 10⁷ эВ, v = 4,35 • 10⁵ м • с^-1 и п = 3 • 10^-1 м^-3. Таким образом, плотность частиц в солнечном ветре заведомо превышает критическое значение, что имеет важные последствия для магнитосферы.

Магнитное поле Земли напоминает поле плоского магнита с двумя полюсами и представляет собой некоторое препятствие для потока солнечной плазмы. Скорость этого потока больше скорости звука в солнечном ветре, поэтому имеет место явление, соответствующее сверхзвуковому обтеканию препятствия в гидродинамике, и перед препятствием образуется ударная волна. Ее фронт имеет форму параболоида, и при прохождении через него солнечной плазмы замедляются ее движения и переход кинетической энергии в тепловую. Такая «разогреваемая» плазма обтекает геомагнитное поле и оказывает на него давление. Но последнее не может сжиматься безгранично. Границей сжатия является мезопауза — область магнитосферы, расположенная на расстоянии примерно 10 земных радиусов от поверхности. Наблюдения с космических аппаратов подтвердили эту картину (рис. 10.8).

Изменения солнечной активности влияют на формирование циклонов. Из-за неравномерного, хотя и малого по величине, нагревания верхних слоев атмосферы начинается слабая горизонтальная подвижка верхних слоев воздуха — адвекция (от лат. advectio — доставка), вызывающая небольшой вертикальный подъем воздуха. Если воздух влажный, при таком подъеме будут конденсироваться водяные пары, выделяться теплота, что усиливает нагрев,

а с ним и адвекцию. Рост массы поднимающегося воздуха увеличивает конденсацию. Начинается раскручивание неустойчивости, порог которой сильно зависит от влажности воздуха. В устойчивом состоянии атмосфера может пребывать долго, но вблизи неустойчивого состояния изменение любого малого параметра может сыграть роль «спускового крючка». Тем самым нарушается глобальная циркуляция воздуха, и все течения в атмосфере, связанные с конвекцией, существенно меняются даже от слабых воздействий. Расчеты показали, что близкие в начальный момент решения для неустойчивой гидродинамической модели атмосферы очень быстро расходятся и приводят к сильно отличающимся результатам. Такие расхождения не позволяют сделать надежный прогноз погоды более чем на 5 —7 дней (расхождение параметров почти вдвое).

Процессы, происходящие в земной атмосфере, сложны и связаны с множеством действующих факторов. С помощью модельных экспериментов удалось получить интересные результаты, объясняющие сходные явления в метеорологии, океанологии и астрофизике. Например, обращает на себя внимание факт преобладания западных ветров в Северном полушарии Земли. Казалось бы, атмосфера должна вращаться вместе с твердой оболочкой Земли, но она вращается быстрее — суперротация. Энергия общего упорядоченного движения атмосферы поддерживается в основном за счет крупномасштабных вихрей, или хаотического движения (отрицательная вязкость). С точки зрения обычной термодинамики энергия должна рассеиваться, но тут возникает масштабное явление, соответствующее как бы обратной диффузии, направленной в сторону понижения энтропии.

При исследовании периодичности взаимодействия системы «атмосфера—океан» американские ученые К. Россби и X. Вил-летт обнаружили (1944), что в атмосфере чередуются состояния с повышенной скоростью упорядоченного западно-восточного переноса, при котором энергия вихревого движения понижена, с противоположной ситуацией, когда преобладают неупорядоченные вихревые процессы — циклоны и антициклоны. Был открыт основной закон формирования колебательного процесса циркуляции атмосферы. Среднюю скорость западно-восточного переноса характеризуют индексом Россби, а открытые Россби и Виллеттом колебания — циклом индекса. Все процессы в тропосфере описали в новых терминах и связали с изменением типа циркуляции. На погодных картах обратили внимание на упорядоченные образования — планетарные волны давления, захватывающие огромные пространства и связанные с атмосферными фронтами и зонами осадков и струйных течений, формирующих погоду, которые управляют непонятным механизмом, связанным с циклом индекса. От него зависят амплитуда и длина планетарных волн.

Английский ученый Р. Хайд поставил опыт (1953), имитирующий гидродинамические процессы в земном ядре, во многом напоминающие процессы в атмосфере. В кольцевом сосуде вращалась жидкость, причем разница температур между внутренним и внешним цилиндрами могла задаваться извне. При возрастании температурного градиента, как и при увеличении скорости вращения жидкости, в ней возникали упорядоченные структуры (вихри Тейлора), напоминающие планетарные волны. Они более заметны, если к жидкости примешивали порошок. При достижении критических значений разницы температур эти структуры внезапно исчезали, движение становилось хаотическим. Очевидно, что эти явления важны в астрофизике: во многих случаях звезды можно рассматривать как вращающиеся жидкие массы, внутри которых имеются температурные градиенты. Хайд обнаружил явление «качания» вблизи границы перехода от порядка к хаосу, уловив возникновение собственных колебаний системы в передаче энергии от упорядоченного движения к хаотическому и обратно. Эти «качания» метеорологи сопоставили с циклом индекса и придали ему более широкий смысл, считая эти явления общими для всех вращающихся жидкостей и газов. Динамика атмосфер других планет похожа на земную, там тоже есть струйные течения, планетарные волны, цикл индекса. Все они нашли объяснение в особенностях вращения неравномерно нагретой жидкости.

Циркуляция в о к е а н а х напоминает атмосферную — обнаружены «синоптические» вихри, подобные циклонам и антициклонам. В океанических течениях (Гольфстриме, Антарктическом, Куросио) также выделены колебания с периодом 1 — 3 года между упорядоченным и хаотическим типами течения. Все эти явления — примеры диссипативных структур. Их возникновение связано с неравномерностью нагревания планеты солнечными лучами, при котором возникают условия для роста упорядоченности в атмосфере и океане и уменьшения энтропии. Эксперимент Хайда и другие аналогичные опыты показывают, что явление цикла индекса в атмосфере, как и аналогичное ему явление осцилляции в океане, наблюдается в точке фазового перехода между двумя различными режимами вращения неравномерно нагретой жидкости или газа.

Сходства между колебаниями жидкости в лабораторных опытах, колебаниями в планетарных атмосферах и циклом солнечной активности оказались и количественными. Между циклом солнечной активности в 11 лет и циклом индекса в атмосферах также есть подобие. Возможно, эта периодичность солнечной активности связана с существованием индекса в солнечной атмосфере или аналогичным явлением. Чтобы наблюдать структурирование в эксперименте, нужно подобрать соотношение между скоростью вращения и разницей температур. Это еще раз показывает, что наша планета находится в уникальных условиях, а изменения малых параметров, влияющие на климат, могут привести к быстрым и катастрофическим последствиям. Это подтверждают расчеты на ЭВМ, проведенные с целью выяснения последствий ядерного конфликта.

На неустойчивость солнечной атмосферы некоторое влияние оказывает и приливное действие со стороны планет. Существуют теории связи расстояний планет от Солнца с волновыми процессами в плазме солнечного ветра, заполняющей Солнечную систему. Эти процессы носят нелинейный неравновесный характер и связаны со многими весьма малыми параметрами системы. Аналогичные процессы с развитием неустойчивостей происходят и в океанах, и в мантии Земли. Тектоника литосферных плит, разрастание дна океанов, формирование желобов объясняются конвекционными процессами. Движение плит земной коры вызывает напряжения, которые создают неустойчивые состояния, зачастую чреватые землетрясениями, извержениями вулканов и т. п.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие гипотезы происхождения Земли Вам известны? Какие закономерности движения нашей планеты они могут объяснить? Что общего в эволюции планет земной группы?
2. Какие гипотезы о происхождении Луны Вы знаете? Почему средняя плотность пород Луны меньше, чем пород Земли? Как определяют возраст горных пород?
3. Перечислите в порядке распространенности четыре-пять химических элементов, составляющих земную кору. Какую роль при образовании планетных тел сыграли соединения железа?
4. Почему существует некая закономерность в распределении элементов, связанная с порядковым номером в таблице Менделеева?
5. Что доказывает единое для всех тел Солнечной системы распределение химических элементов?
6. Поясните геохронологическую шкалу. С чем связано такое разделение? Как Вы можете описать первичную атмосферу и океан Земли?
7. Какие изменения происходили на Земле в эру палеозоя? Поясните, что изменилось на Земле с появлением первых организмов.
8. Назовите основные отличия континентальной коры от океанической по составу. Как можно изучать взаимодействие между ними? Какие процессы при этом происходят?
9. В чем суть гипотезы литосферных плит? Как она связана с дрейфом континентов?
10. Поясните процессы роста континентальной коры. В каких областях наблюдается повышенная магматическая активность? Каковы перспективы будущего дрейфа континентов?
11. Объясните, почему состояние протопланетного облака было далеким от равновесия. Какие факторы послужили толчком к образованию планет?
12. Назовите условия, способствующие процессу самоорганизации в атмосфере. Почему не удается осуществлять долгосрочный прогноз погоды?