Концепции эволюции вещества Химическая характеристика вселенной Концепции возникновения

Концепции эволюции вещества. Химическая характеристика вселенной. Концепции возникновения и эволюции вещества вселенной. Химическая эволюция оболочек земли. Процессы миграции химических элементов в природных системах. Основные геохимические циклы химических элементов. Ноосфера и техногенез. Техногенный фактор эволюции вещества земли.

Вещество и его состояния Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь окружающий нас мир. Его образуют большие скопления различных частиц, структур. Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Разные изделия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, и их вещество будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — вещество того же наименования, полученное в реальных условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси. В зависимости от условий среды вещество может находится в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Микроструктура и состояние движения частиц в этих состояниях вещества носят различный характер.

Основные характеристики Вселенной • Вселенная • Расширение Вселенной - скорость разбегания галактик (постоянная Хаббла) • • • • • 55 (км. с)/Мпс Средняя плотность вещества во Вселенной: - на основе наблюдений 3 10 -31 Мг/м 3 - теоретическая 1 10 -29 Мг/м 3 Плотность излучения во Вселенной 109 фотонов на 1 нуклон Число наблюдаемых галактик 1011 Расстояние до самой удаленной наблюдаемой галактики 5 109 св. лет Расстояние до самого удаленного наблюдаемого квазара 12 109 св. лет Космические плотности (Мг/м 3) Вселенная 10 -29 (оценка) Скопление галактик 5 10 -28 Межзвездный газ 3 10 -25 Галактика 2 10 -24 Шаровое скопление 4 10 -21 Красный гигант 5 10 -8 Солнце 1. 4 Белый карлик 106 Нейтронная звезда 1014 (плотность атомного ядра) Черная дыра 5 1093 (предполаг. , т. н. плотность Планка)

Концепции возникновения и эволюции вещества вселенной Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно трактуется следующим образом: окружающая нас Вселенная обладает определенными физическими свойствами и закономерностями, познаваемыми нами. Как в таком случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти во многом еще не решенные вопросы зависят возможность существования жизни в других областях Вселенной и в другие времена и направления ее поиска. Любая физическая теория, например уравнение Максвелла в электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен полный набор начальных данных, поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы обращаемся к космологии, которая должна описать свойства одной-единственной системы — нашей Вселенной, вопрос о начальных данных и фундаментальных постоянных неразрывно связан с вопросом: почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной. Наиболее важным моментом современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в модели де Ситтера. Более поздние промежутки эволюции Вселенной даются в модели Фридмана. Переход от одного закона к другому означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де Ситтера Rexp (Ht) на начальной стадии ее эволюции получила название модели "раздувающейся Вселенной". По этой модели, при t > 0 вся энергия мира была заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10 -35 с. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших нео. Днородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделялась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10 -32 с пространство раздулось в громадный раскаленный шар размерами много большими видимой части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной. В последнее время усиленно обсуждаются причины того " первотолчка", который был началом расширений нашей Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной. В развитии Вселенной принято выделять следующие четыре стадии: адронная эра, лептонная эра, эра излучения и эра вещества. Адронная эра продолжалась до t = 10 -4 с. При этом р > 1014 г/см 3; Т > 1012 К. Важной особенностью этой стадии является сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом (антинейтронами и др. ). Причем количество частиц в единице объема было того же порядка, что и фотонов. Далее (до t = 10 с) шла лептонная эра, на протяжении которой температура уменьшается от 1012 К до 5 109 К. С уменьшением температуры более эффективными становятся процессы соединения протонов с нейтронами и образованием дейтерия 2 Н, трития 3 Н и изотопов 3 Не и 4 Не. Именно в это время и образуется основная часть гелия, содержащегося в звездах и галактиках.

Эра излучения продолжалась от 10 с до 1013 с, или 1 млн лет. При этом 300 К < Т < 1010 К, 10 -21 < р < 104 г/см 3. Основной вклад в гравитационную массу Вселенной давало излучение. В начале эры закончился синтез гелия и продолжались процессы аннигиляции электронов с позитронами. Все это время температура излучения оставалась одинаковой с температурой вещества. Но как только температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергия фотонов уже недостаточна для ионизации атомов водорода. Поэтому процессы рекомбинации электронов с протонами уже не уравновешиваются обратными процессами ионизации и происходит "отрыв" излучения от вещества. С этого момента главную роль в расширении Вселенной начинает играть не излучение, а вещество. Эра вещества начинается с момента рекомбинации и продолжается до сих пор. На ее определенном этапе и начинаются процессы формирования галактик и звезд. В заключение мы можем констатировать, что гипотеза Большого взрыва позволяет удовлетворительным образом интерпретировать все пять рассмотренных выше экспериментальных фактов. Именно поэтому современные представления о возникновении нашей Метагалактики основаны на изложенной нами модели, хотя многие вопросы все еще остаются открытыми.

Химическая эволюция оболочек земли Земля имеет 6 оболочек: атмосферу, гидросферу, биосферу, литосферу, пиросферу и центросферу. Атмосфера—внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя—на высоте 1000 км. В атмосфере различают тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой). Средняя высота тропосферы— 10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Над тропосферой на 80 км поднимается стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои. Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что ее воздух постоянно ионизируется под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей. Гидросфера занимает 71% поверхности Земли. Ее средняя соленость составляет 35 г/л. Температура океанической поверхности — от 3 до 32 °С, плотность — около 1. Солнечный свет проникает на глубину 200 м, а ультрафиолетовые лучи — на глубину до 800 м.

Биосфера, или сфера жизни, сливается с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя — проходит по дну океанских впадин. Биосфера подразделяется на сферу растений (свыше 500 000 видов) и сферу животных (свыше 1 000 видов). Литосфера—каменная оболочка Земли—толщиной от 40 до 100 км. Она включает материки, острова и дно океанов. Средняя высота материков над уровнем океана: Антарктиды— 2200 м, Азии— 960 м, Африки— 750 м, Северной Америки — 720 м, Южной Америки — 590 м, Европы — 340 м, Австралии — 340 м. Под литосферой расположена пиросфера — огненная оболочка Земли. Ее температура повышается примерно на 1°С на каждые 33 м глубины. Породы на значительных глубинах вследствие высоких температур и большого давления, вероятно, находятся в расплавленном состоянии. Центросфера, или ядро Земли, расположена на глуби не 1800 км. По мнению большинства ученых, она состоит из железа и никеля. Давление здесь достигает 3000000 Па (3000000 атмосфер), температура— нескольких тысяч градусов, В каком состоянии находится ядро, пока неизвестно. Огненная сфера Земли продолжает охлаждаться. Твердая оболочкой утолщается, огненная—сгущается. В свое время это привело к формированию твердых каменных глыб— материков. Однако влияние огненной сферы на жизнь планеты Земля все еще очень' велико. Неоднократно менялись очертания материков и океанов, климат, состав атмосферы. Экзогенные и эндогенные процессы беспрерывно изменяют твердую поверхность нашей планеты, что, в свою очередь, активно влияет на биосферу Земли.

Процессы миграции химических элементов в природных системах Миграция – перемещение молекул и атомов в земной коре, движимое посредством целого ряда факторов различного происхождения и протекающее несколькими способами. Способность элемента к миграции определяется формой его нахождения в земной коре: горные породы и минералы, живое вещество, магма, рассеянная форма. Разнообразие миграции элементов характеризует число его минералов, генетических типов рудных месторождений и т. д. Участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Геохимическая миграция в различных средах различается в зависимости от степени трещиноватости: 1. В непрерывной пористой среде, миграция проходит с одинаковой скоростью между частицами породы; 2. В дискретной пористой среде, т. е. из отдельных частиц (почва, глина). Размеры пор внутри частицы отличается от пор между ними, следовательно, скорости миграции в разных частях породы различны; 3. В дискретной среде, взаимодействие с раствором происходит только на поверхности частиц среды.

Основные геохимические циклы химических элементов Геохимические циклы (a. geochemical cycles; н. geochemische Kreisprozesse, geochemischer Kreislauf; ф. cycles geochimiques; и. ciclos geoquimicos) - совокупность последовательно происходящих явлений и процессов, приводящих к круговороту хим. элементов и их соединений в земной коре. Впервые понятие Г. ц. обосновал В. И. Вернадский (1922), к-рый связывал историю хим. элементов с последоват. преобразованием их соединений (минералов) в зависимости от разл. термодинамич. условий в разных частях земной коры. Постоянный круговорот хим. элементов в земной коре определяется динамич. характером природных равновесий, непрерывным преобразованием вещества земной коры в процессах выветривания, осадкообразования, метаморфизма, магматизма. Этот круговорот сопровождается разделением элементов, в наибольшей степени проявляющимся в биосфере при взаимодействии вещества литосферы, гидросферы и атмосферы и при определяющем участии живого вещества. Каждый хим. элемент в соответствии с его хим. свойствами имеет свой Г. ц. Выделяют Г. ц. разл. масштабов, напр. циклы, связанные с биогеохим. круговоротом элементов атмосферы, почв, грунтовых вод и живого вещества, или циклы преобразования пород в процессах выветривания-сноса-осадкообра- зования-выветривания (этот круговорот нередко называют малым Г. ц. ), или, наконец, преобразование вещества земной коры в процессах выветривания-осадкообразования- метаморфизма-магматизмавыветривания (большой Г. ц. ). Эти циклы взаимодействуют друг с другом, создавая в целом сложную систему путей миграции хим. элементов.

Ноосфера и Техногенез Ноогенезом будем называть процесс становления и развития человеческого интеллекта, или, точнее, создаваемого им единого пула логической информации. Объем этой информации давно превзошел информационную емкость отдельного человеческого мозга, целиком вмещавшего информацию поведенческую. Для хранения логической информации постепенно возникали все новые виды искусственных, т. е. создаваемых человеком, носителей – от древних глиняных табличек до современных форм магнитной записи и пр. Передача и распространение такой информации также уже не могла обеспечиваться отдельными людьми - им в помощь, а затем и на смену им пришли различные технические системы связи. То же относится и к обработке информации и другим видам манипулирования с нею – бурно развивающееся племя компьютеров здесь все более заменяет человека. Прерогативой отдельных людей пока остается деятельность по производству, созданию новой информации, но и здесь человек становится все более зависимым от соответствующего технического обеспечения. Процесс ноогенеза, таким образом, постепенно порождает единую информационную сеть, охватывающую всю планету. Формируется ноосфера. Параллельно и в тесной связи с ноогенезом шел, как мы видели, и техногенез – развитие технических систем, обеспечивающих производственную деятельность человека. С расширением зон обитания человека, с ростом его численности и увеличением размерности пространства режимов, где могли бы проявлять себя логические информации, процесс техногенеза приобрел все более глобальный характер. Развивались глобальные технологии, охватывающие огромные пространства и включенные в единый технологический пул.

На смену разрозненным информационным системам 2 -го рода, характерным для предисторического развития человечества, приходит единая глобальная суперсистема, включающая в себя как планетарный информационный пул, так и кодируемые им технологии. Техногенез идет к становлению техносферы, также, наподобие ноосферы, охватывающей всю планету. Богатство информационного пула и грандиозность технических возможностей создает у отдельных людей ощущение, что человек в силах управлять ходом ноогенеза и техногенеза, направлять их движение в определенных, осознаваемых им и желательных для него направлениях. Но мы видели, что информация развивается по своим законам, что проявляется в ее аутогенезе, и в действительности человек способен осознавать, улавливать лишь некоторые из сторон ее динамики, причем обычно постериори. Кроме того, свойство полипотентности информации не позволяет априори предвидеть, какие еще, помимо известных, формы реализации она может приобрести, – а следовательно, и оценивать все последствия деятельности основанных на ней операторов. Побочные продукты целенаправленных действий постепенно деформируют исходные пространства режимов, порождая непредсказуемые и непредвидимые последствия.

Техногенный фактор эволюции вещества земли Создание антропогенной системы энергоемких разнообразных процессов и их проникновение в околоземное и подземное пространство имеет короткую, но во многом драматическую историю. Рассмотрим часть этих процессов за вторую половину XX в. , подразделив их по видам активных воздействий на два типа: - глобальные энергоемкие воздействия, постоянно действующие или со значительными для геокосмоса и земной коры функциональными последствиями; - энергоемкие воздействия локального и эпизодического характера. Естественно, что это деление условно, но оно полезно в смысле рассмотрения общей схемы процессов становления техногенной цивилизации, именуемой "цивилизацией покорения космоса". Кроме того, изменение информационной осведомленности всего человечества позволяет обнародовать сведения либо тщательно умалчиваемые (например, геофизические отклики на высотные ядерные взрывы), либо известные узкому классу специалистов (например, влияние ракетных пусков на снижение общего содержания озона) Главной особенностью активных воздействий является то, что этот вид человеческих усилий выводит техносферу в геокосмос и ближний космос (Солнечную систему). Состав процессов и состояний геокосмоса с помощью этой активности резко модифицируется в сторону замены естественной системы искусственной. Причем биосферных прогнозов на эту замену ни теоретики, ни практики не делают. Тем не менее география применения энергоемких технических воздействий расширяется.

К энергоемким техногенным воздействиям мы относим: - электровыработку и электропотребление как постоянно действующий фактор техногенной модификации электромагнитной системы Земли, выявленной свойствами и особенностями геофизических полей; - ракетные пуски всех систем базирования, мощности и предназначения как основной фактор внесения помех в процессы естествен ных плазменных неоднородностей в ионосфере и физико-химической модификации ионосферы с термодинамическими и погодными следствиями; - ядерные и химические ряды взрывов в верхнем и нижнем полупространстве Земли как источник огромных электромагнитных импульсов и возможный фактор модификации последовательности и интенсивности сейсмических процессов, глубинной геодинамики и локальных процессов энерго- и массопереносов, что еще требует серьезных и трудоемких доказательств и существует как острая экологическая проблема; - вещественные перераспределения в верхней части земной коры и локальное изменение гравитационного поля за счет изъятия огромных масс (добыча полезных ископаемых) и весовой перегрузки на отдельных участках суши (супергорода и гидросооружения) Следует также отметить, что первые три вида энергоемких технопроцессов воздействуют и на естественное состояние процессов в Солнечной системе, особенно в сфере порождения "электромагнитного смога" во всей гелиосфере Об этом свойстве наземного технического процесса все еще не принято говорить, хотя именно техногенная экспансия человечества в масштабе Солнечной системы, видимо, и послужила триггером в наращивании энергоемких природных процессов (катастроф) на Земле.