Физика и экология

Взаимосвязь физики и экологии

Термодинамические системы неживой и живой природы далеки от равновесия. Они представляют собой потоки энергии и вещества, в которых происходят процессы самоорганизации, базирующиеся на фундаментальных физических принципах. Лауреат Нобелевской премии И.Р. Пригожин рассматривал природные системы как диссипативные структуры, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой. Океанические течения, атмосферные циркуляции - примеры диссипативных структур. Земля с точки зрения физики также является системой, получающей энергию извне, от Солнца. Экологию можно рассматривать как науку, изучающую процессы самоорганизации и эволюции систем в живой и неживой природе.

Уже В.И. Вернадский считал, что воздействие человека на природу может стать более мощным фактором, чем все остальные природные процессы.

Рисунок 1. Академик Владимир Иванович Вернадский, создатель учения о биосфере и ноосфере. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

С другой стороны, физика Земли, изучающая процессы в атмосфере, литосфере, гидросфере, способна предоставить и решение проблем, связанных с искажениями среды обитания:

1. она играет прогнозирующую роль для экологии;
2. широкий спектр физических методов изучения вещества должен найти применение в создании эффективных средств мониторинга экосистем;
3. опыт разработки физико-математических моделей природных процессов также может быть полезным в исследовании влияния антропогенных воздействий на функционирование экосистем.

Физические факторы, влияющие на окружающую среду

Технический прогресс последних столетий, обусловленный развитием физики и других фундаментальных наук, поставил на службу человеку многие явления природы. Вместе с тем, их эксплуатация должна производиться с учетом влияния на окружающую среду. Рассмотрим некоторые явления природы в экологическом аспекте:

• тепловые машины (в первую очередь двигатели внутреннего сгорания): их эксплуатация вызывает парниковый эффект, загрязнения почвы, водоемов и воздуха; борьба с негативными последствиями заключается в повышении КПД двигателей, использовании более эффективного топлива, улавливании выхлопных газов и т.д.;
• агрегатное состояние веществ: вода, переходящая в состояние пара, конденсируется в верхних слоях атмосферы, затем выпадает в форме осадков; в природе существует баланс между количеством испаряемой воды, и тем, которое находится в атмосфере; человек с помощью техники уничтожает водоемы, что приводит к нарушению равновесия; для предотвращения этого важно оценить возможные последствия природопреобразовательных действий;
• диффузия: это явление в природе часто является причиной распространения загрязняющих веществ, например, при работе металлургических заводов;
• вибрация и шум; вибрация - фактор с высокой биологической активностью; некоторые ее виды служат причинами патологических состояний организма; вибрация связана и с проблемой нежелательных шумов: при воздействии высокого уровня звуков могут наступить различные патологии, вплоть до психологических расстройств и глухоты;
• электромагнитные поля (ЭМП): их распространяет бытовая техника и средства связи; доказано негативное влияние некоторых искусственных ЭМП на состояние здоровья живых существ; например, электромагнитное излучение, идущее от блока питания компьютера, распределяется на 2,5 м; другая бытовая техника, работающая от сети переменного тока, также являются источником электромагнитных полей: СВЧ-печи, мощные холодильники, электроплиты и т.п.; необходимо обращать внимание на соответствие санитарных паспортов таких приборов требованиям санитарных норм;
• ионизирующее излучение: его действие на биообъекты может быть губительным: могут наблюдаться симптомы от кратковременных изменений состава крови и усталости до рвоты, а в долговременной перспективе - онкологических заболеваний; медико-профилактические мероприятия помогают защитить организм от поступления в него радионуклидов.

Рисунок 2. Источники загрязнения атмосферы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Повышение роли экологии в преподавании физики

Экологические проблемы стали особенно сильно интересовать физиков-преподавателей с 80-х гг. ХХ века, после катастроф на атомных электростанциях Три-Майл-Айленд (США, 1979 г.) и Чернобыльской (СССР, 1986 г.). С этого времени у ученых ускорилось формирование чувства ответственности за экологические издержки их деятельности. Появилась потребность введения в учебные программы курсов физики окружающей среды. Так, например, в Ленинградском технологическом институте обучение по специальности "Экология и рациональное использование природных ресурсов" ведется с середины 1980-х гг.

Интересно отметить, что основы преподавания экологической физики во многом заложил наш соотечественник, профессор кафедры теоретической физики Коломенского педагогического института А.П. Рыженков. В 1989 г. вышла его первая тематическая монография - "Физика и экология". С 1991 г. он по приглашению Лундского университета (Швеция) вел там курс "Физика окружающей среды", сформировав первую группу студентов по этому направлению. Интерес к этой учебной дисциплине неуклонно рос, и вскоре курс стал обязательным для студентов-физиков педагогических отделений Швеции. В 1999 году был опубликован учебник "Физика окружающей среды" Матса Арескога, одного из первых слушателей профессора Рыженкова. Деятельность по преподаванию физической экологии была им продолжена в США в 1997-1998 гг. на экологическом отделении Университета Монтклэр в штате Нью Джерси.

В настоящее время внимание физиков к вопросам экологии еще не так велико, как требуют тревожные симптомы изменения экологической обстановки на Земле. Тем не менее, полноценные курсы экологической физики сформированы в ведущих вузах, в частности, на Физическом факультете МГУ.

Важной составляющей изучения экологической физики являются практические занятия в полевых условиях, например: исследование вариаций солнечного излучения, ресурсного потенциала реки и т.д.

Рисунок 3. Полевые занятия по экологии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ