Наш разум не может не искажать действительность. Наш разум – величайший обманщик.

Этот «обманщик» достаточно ловок. Незнание он умеет выдавать за знание, подменяя истину ложью, к которой мы быстро привыкаем. При этом такая ложь бывает откровенной. Вот пример.

Подземные воды, нефть, газ двигаются в горных породах по порам и трещинам, формируя так называемый дискретный поток. Реальная структура такого потока нам неизвестна, мы не можем ее измерить и геометрически построить. Но мы способны измерить общее сечение ω горных пород (пласта), в которых двигается подземный поток как совокупность разрозненных струек. И можем измерить расход Q такого потока, т.е. количество, например, воды, протекающее через сечение в единицу времени (рис. 1.21).

Разделив расход Q на общую площадь сечения, мы получим скорость сплошного потока υ. Он называется фильтрационным потоком, а скорость υ– скоростью фильтрации. Но такого потока в действительности нет, это фикция. Реальное дырчатое сечение мы заменили сплошным, реальный поток, состоящий из отдельных струек, мы тоже подменили сплошным потоком в выдуманной фильтрационной среде с выдуманным гидравлическим сопротивлением К.

Французский гидравлик Анри Дарси почти 150 лет назад экспериментально установил линейную связь между скоростью такого потока и градиентом напора (∆Н / ∆Х, где ∆Н – разница напоров на отрезке длиной ∆Х):

υ = К(∆Н / ∆Х).

Эта формула получила название закона Дарси, или закона фильтрации. И вся современная теория движения подземных вод так или иначе построена на этом законе, т.е. на понятии фиктивного несуществующего потока. Таким образом, законы фильтрации можно назвать фикцией, потрясающим блефом.

Но самое удивительное состоит в том, что этот блеф позволяет решать многие реальные задачи, что он хорошо согласуется, как принято говорить в физике, с результатами наблюдений, с экспериментом, хотя это согласие и не абсолютно, а имеет определенные рамки по значению скоростей.

Так что, как видим, наш «великий обманщик» – Ум, наш Тартюф оказался действительно довольно ловким.

Теперь, вооружившись сомнениями, перейдем к законам экологии.

В книге «Замыкающийся круг» Барри Коммонер [43] предлагает четыре закона, сформулированных им в виде афоризмов. Мы их приведем и кратко прокомментируем, показав, что по своему существу это известные законы природы наиболее общего и фундаментального уровня.

Закон 1. Все связано со всем.Этот закон постулирует единство Мира, он говорит нам о необходимости искать и изучать природные истоки событий и явлений, возникновение связующих их цепочек, устойчивость и изменчивость этих связей, появление в них разрывов и новых звеньев, стимулирует учиться эти разрывы залечивать, а также предсказывать ход событий.

Закон 2. Все должно куда-то деваться.Нетрудно увидеть, что это, по существу, просто перефразировка известных законов сохранения. В наиболее примитивном виде эту формулу можно трактовать так: материя не исчезает. Однако, имея в виду рассмотренную ранее схему триединства мира, закон 2 следует распространить и на информацию и на духовное. Этот закон нацеливает нас на изучение экологических траекторий движения элементов природы.

Законы 1 и 2 в качестве следствия определяют концепцию замкнутости (закрытости) природы как экологической системы самого высокого уровня.

Закон 3. Природа знает лучше.Закон утверждает, что любое крупное вмешательство человека в природные системы вредно для нее. Этот закон как бы отделяет человека от природы. Суть его состоит в том, что все, что было создано до человека и без человека, является продуктом длительных проб и ошибок, результатом сложного процесса, опирающегося на такие факторы, как изобилие, изобретательность, безразличие к индивидам при всеохватывающем стремлении к единству.

В своем становлении и развитии природа выработала принцип: что собирается, то и разбирается.

Этот принцип прекрасно сформулирован в известном фильме Марка Захарова «Формула любви». Помните, кузнец, ломая для продления срока ремонта карету графа Калиостро, произносит такую сентенцию: «Что один человек сделает, другой завсегда сломать сможет». В природе же суть этого принципа состоит в том, что естественным путем не может быть синтезировано ни одно вещество, если нет средства его разрушить. На этом основан весь механизм цикличности.

Человек же в своей деятельности этого не предусматривает, по крайней мере сразу. Не все, что он «собирает», природа умеет разрушить. Это одна из тупиковых ситуаций во взаимоотношениях человека с природой, хотя сам человек – часть природы.

Скорее всего, в случае с человеком все же нет исключений из закона 3. При создании человека был предусмотрен и механизм его «разборки». «Ферментом» для такого разрушения, по-видимому, является сам человек, вернее – его антиприродная деятельность.

Общая экологическая катастрофа – вот механизм такого демонтажа, демонтажа всех нас нашими собственными руками. Человек не совершеннее Бога. Это должен помнить каждый, и закон 3 об этом напоминает. Вот вам и предсказанный конец Света, вот вам и Антихрист. Он сидит в нас, и мы сами сообща уничтожаем самих себя, настоящих и будущих. Мы сами организуем конец Света. Во всяком случае, способны это сделать.

Человек хочет быть независимым от природы, быть над нею, и все, что он делает, он создает для своего комфорта, для своего удовольствия и только для них. Но он забывает, что на фоне природной целесообразности и гармонии, выражаясь словами А.И. Герцена, «наш комфорт жалок и наш разврат смешон». Наверное, надо следовать призыву нашего крестьянского поэта Николая Клюева: «...с Богом будем богами...». Для этого человек должен усмирить свою гордыню. К этой мысли мы еще вернемся в конце книги.

Закон 4. Ничто не дается даром.Иными словами, за все надо платить. По существу, это второй закон термодинамики, говорящий о наличии в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. При взаимодействии термодинамических систем с окружающей средой есть только два способа передачи энергии: выделение теплоты и работа.

Закон говорит о том, что для увеличения своей внутренней энергии природные системы создают наиболее благоприятные условия – они «пошлин» не берут. Вся произведенная работа без всяких потерь может переходить в теплоту и пополнять запасы внутренней энергии системы. Но, если мы делаем обратное, т.е. хотим произвести работу за счет запасов внутренней энергии системы, т.е. через теплоту сделать работу, мы должны платить. Всю теплоту превратить в работу нельзя. Всякая тепловая машина (техническое устройство или природный механизм) имеет холодильник, который, как налоговый инспектор, производит сбор пошлины. Это и есть плата за полезную работу, своеобразный налог природе. Иногда говорят, что естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии: из холодильника, получившего энергию от нагревателя в виде «налога на прибыль», часть этой энергии можно снова превратить в работу, но только с помощью еще более холодного холодильника и т.д.

Существуют природные тепловые машины, такие, например, как термобарические сейши (стоячие волны), организующие муссонную циркуляцию на Земле, тропические ураганы, их аналоги в недрах планеты и т.п. Но эти машины имеют очень низкий КПД, не более 1-2% . Таким образом, с тех машин, которые природа сконструировала сама, она берет максимальный энергетический налог, создавая мощную асимметрию между процессами взять и дать.

Человек же стремиться природу обмануть и у своих машин КПД увеличивает до нескольких десятков процентов, тем самым уменьшая свои налоговые выплаты и обманывая природу, естественно, до поры до времени.

Очевидно, что при этом человек ускоряет процесс снижения качества энергии, понижает ресурсные возможности природы, интенсифицирует ее энергетическое обнищание.

Таким образом, закон 4 констатирует, что нельзя прожить бесплатно.

Даже самый общий анализ этой истины показывает, что мы живем в долг, так как платим меньше реальной стоимости товара. Но, как известно, рост долга приводит к банкротству.

Попытаемся сделать некоторые обобщения.

1. Законы 1 и 2 постулируют принципы, по которым природа устроена, – ее замкнутость.

2. Законы 3 и 4 говорят о том, какими правилами регламентированы взаимоотношения природы и человека.

К сожалению, человек устроен так, что не может лишить себя комфорта и отказаться от удовольствий и наслаждений. И в силу законов 3 и 4 он обречен грабить и обескровливать природу. Отсюда следует, что человечество как-будто бы неумолимо, все с возрастающими темпами приближает свою экологическую кончину. И все же, думается, выход есть и эта безысходность не фатальна.

Во-первых, человек может и вынужден будет создавать такие материалы и конструкции, которые природа могла бы с легкостью «разбирать» и вовлекать в свои круговороты и циклы. Примеры этому уже есть, хотя сегодня еще и немногочисленные.

Во-вторых, налог, который человек платит природе, наверное, можно было бы увеличить. Пока трудно сказать, как это сделать. Но ведь мы не учитываем информационный и духовный миры, их участие в структуре природы и ее экологической целостности. Может быть, это спасет нас. Поэтому мы и ведем разговор об экологической культуре.

Ум– организатор информации. Законы – наиболее общий продукт этой организации.

Правила проживания

Человека же два – сердце и душа, в ней же правда и грех...

А. Битов

• Наш Дом – Космос.

• Место прописки – Земля.

• Место обитания – слой жизни (граница между Небом и Землей).

• Реальность жизни проявляется в миражах.

• Человек живет вдоль и поперек слоя жизни.

• Движение поперек слоя ломает границы слоя и создает революционную ситуацию в механизме эволюции.

• Мир триедин:

• Ум – организатор информации.

• Законы – продукт взаимодействия ума и природы.

• Человек и мытарь, и фарисей одновременно.

• Жизнь – это компромисс.

• Человек не совершенней Бога. Он должен понимать это и помнить.

• Бог любит нас и нам верит. Он хочет, чтобы мы любили его.

Тема 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

...Именно во взаимодействии и состоит целостность, именно во взаимодействии и проявляется системность.

А. Павлов

Силы

Древняя метафизическая противоположность материи и духа была прототипом физического противопоставления массы и силы.

Макс Джеммер

Термин «сила» охватывает огромную сферу наших жизненных представлений. Это и причина перемещения материальных тел, причина изменения их движения, т.е. то, что лежит в основе классической механики И. Ньютона, и фактор, удерживающий атомы, молекулы, ионы и другие частицы материи вблизи друг друга, что, по существу, и формирует тела, это и сила духа, ума, страсти, любви, жизни, добра, зла и т.д. и т.п.

Исповедуя триединство как идеологическую основу современной экологии, в понятие силы мы вынуждены вкладывать какой-то всеобщий смысл. А такой смысл достигается с помощью только абстракций. На наш взгляд, здесь вполне можно опереться на формулировку В. Даля: «Сила есть отвлеченное понятие общего свойства вещества, тел, ничего не объясняющее, а собирающее только все явления под одно общее понятие и название».

Правда, в физике силу можно измерить. Например, в системе СИ она измеряется в ньютонах; ньютон – это сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Однако даже в этом, казалось бы классическом случае, скрыты договорные принципы, в частности представление об инерции, мерой которой является масса.

Это обстоятельство было замечено еще А. Гофлером (1898), который для господствовавшей тогда конвенциальной системы СГС писал: «Величина „дина" как единица силы логически предшествует понятию один грамм массы (выделено мной. – А.П.)». Заметим, что наряду с гауссовской «абсолютной» системой СГС предлагались и другие, в частности «дидактическая система», которая основывалась на длине L, времени Т и силе F как основных размерностях. [Больше известна как техническая система. Единица силы – сила веса 1 кг, т.е. сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 9,81 м/с²: 1 кг = 9,81 Н (Н – ньютон); 1 Н = 0,102 кг; 1 техн. ед. массы (тем) = 9,81 кг.] При этом масса оказывалась производной величиной с размерностью LT²L^-1.

Как видим, круг замыкается:

F = та.

Сила F – измеряется, ускорение а – измеряется, а вот масса т – это лишь коэффициент пропорциональности, который можно вычислить по F и а. Но без массы силы нет.

Снова какой-то мираж. Но мы привыкли к нему настолько, что уже не обсуждаем, а точнее, перестаем на этот счет задумываться.

Правда, не все. В этом отношении большой интерес представляет книга М. Джеммера [27], в которой рассматриваются основные представления о понятии массы. Ссылаясь на Г.В. Брауна, он, в частности, пишет: «одна из наиболее удивительных черт истории физики заключается в той путанице, которая связана с определением исходного понятия динамики, а именно понятия массы».

Любознательный читатель, если он не знаком с этой книгой, сможет, обратившись к ней, самостоятельно вникнуть в проблему. Мы же, опираясь на это исследование, лишь расставим некоторые акценты, представляющие для нас особый интерес. Чтобы не заниматься пересказом, оформим их в виде нескольких цитат.

1. Древняя метафизическая противоположность материи и духа была прототипом физического противопоставления массы и силы.

2. Современное понятие массы... в противоположность понятиям температуры, света и силы, не имеет никакого чувственного образа и непосредственно не проявляет себя ни в каком мыслимом эксперименте. Оно представляет собой абстрактную конструкцию.

3. Массу можно сравнить с актером, который появляется на сцене в различных масках, но никогда в своем чистом виде... множественность форм массы является ее... вездесущностью, то есть ее универсальным проявлением...

4. Для современного мышления количество материи есть в лучшем случае метафизическое понятие... количественное определение материи, по существу, невозможно. Материя как таковая... остается непостижимым и непонятным осадком научного анализа и как таковая неизмерима.

Таким образом, тщательное монографическое исследование понятия массы, выполненное М. Джеммером, приводит к простым, но исключительно важным выводам.

1. Масса – понятие абстрактное, неизмеряемое, но вычисляемое, по крайней мере, в физике.

2. Масса – это не мера количества материи, а мера инерции, оцениваемая через силу.

3. Масса – многолика в своем проявлении.

Итак, понятие силы связано с представлениями о массе, а понятие массы – с представлениями об инерции.

Со слова «инерция» начинается любой курс физики, потому что в классической механике первый основной закон динамики – это закон инерции, экспериментально установленный Галилео Галилеем. Напомним его: материальная точка (тело, при движении которого можно отвлечься от всех его свойств, кроме массы), достаточно удаленная от всех остальных тел (не взаимодействующая с ними), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. При этом покой рассматривается как частный случай такого движения, когда скорость равна нулю.

Наш Ум связывает инерцию с ощущениями устойчивости, способностью сопротивляться тем или иным внешним воздействиям. Такая смысловая интерпретация термина «инерция» заставляет думать, что первый закон механики является всего лишь частным случаем некоего всеобщего закона. Назовем его законом устойчивости. Можно предложить для него следующую формулировку:

Всякая природная система стремится сохранить свою внутреннюю структуру и механизм функционирования по отношению к внешним силам, направленным на их разрушение.

Для каждой категории систем это свойство фундаментально, поскольку благодаря ему система способна существовать.

Помимо общеизвестного первого закона механики с предлагаемой формулировкой закона устойчивости хорошо согласуются многочисленные принципы, правила, закономерности и свойства, эксплуатируемые многочисленными разделами науки. Вот некоторые из них.

Принцип Ле-Шателье (1884).Если изменять одно из условий равновесия путем определенного воздействия на систему, равновесие сместится в сторону усиления в системе того процесса, который способствует сведению данного процесса к минимуму.

Попросту говоря, система сопротивляется воздействию на нее.

Первое фундаментальное свойство гидросферы Земли.Это свойство консервативности отношений вода ↔ среда, установленное А. Павловым (1985, 1991). В любых геосферах, в которых присутствуют те или иные формы природных вод, возникает устойчивое взаимодействие (инерционность отношений) между водой и средой, определяемое энергией структуризации каждой из всех подсистем гидросферы, энергией, которая обеспечивает их существование и функционирование.

Экологическая аксиома Ч. Дарвина.Каждый вид адаптирован к строго определенной специфичной для него совокупности условий существования – экологической нише. Способность к адаптации – это и есть гарант устойчивости, сохраняемости и выживаемости, без которой не было бы видов (Из кн.: Реймерс Н.Ф. Надежда на выживание человечества. Концептуальная экология. – М.: Россия молодая, 1992.).

Инерционная фаза этногенеза Л.Н. Гумилева.Спад пассионарности этнической системы и интенсивное накопление материальных и культурных ценностей.

Это своего рода увеличение запаса внутренней энергии, создающей гарантии устойчивости этноса, это энергия существования, это его инерционная масса (Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990.).

Здесь уместно заметить, что в физике элементарных частиц деление на массу и энергию теряет смысл, так как частицы могут превращать собственную массу в энергию, а в теории относительности существует даже общий закон сохранения массы и энергии. Любопытную оценку в связи с этим приводит М. Джеммер в упомянутой выше книге. В ней он показывает, что сенсорные аппараты человека неизмеримо чувствительнее к энергетическим восприятиям (более, чем в 10³² раз), чем к восприятиям эффектов, связанных с массой. Он считает, что если бы такого различия не было, то тождественность массы и энергии для человека была бы очевидным фактом его жизненного опыта.

Теперь попробуем подвести некоторые итоги.

1. Если понятие массы даже в физике представляет собой абстрактную конструкцию, то почему бы в качестве таковой не использовать это понятие более широко, внедрив его как инерционную меру в информационный и духовный миры. Ведь ясна же для нас ситуация, когда говорят об инерционности мышления, психики, менталитета, наконец, религиозных устоев и т.п.

2. Для экологии в целом такую конструкцию можно было бы назвать экологической массой µ,отождествляющей понятие экологической инерции.

3. В этом случае появляется необходимость говорить об экологической силе φ как о той причине, которая могла бы нарушить экологическую инерционность (устойчивость), и об экологическом ускорении α как о градиенте скорости экологических изменений.

4. Появляются три задачи:

исследование µ;

исследование φ;

исследование α.

Отметим, что предложенный подход к экологическим системам – это не игра в термины. Это возможность «офизичивания» экологических задач и экологии как науки о целостности мира, попытка приблизить ее к тем достижениям, которыми располагают современная физика и математика.

Вот пример полезности такого рода процедуры из области наук о Земле – из геотектоники. В 1970-е годы в геологию стали внедряться новые геотектонические идеи под названием «плитная тектоника». Вместе с ними в геологию вошли четкие физические определения: плита – жесткая платформа с типичными хрупкими деформациями; подстилающий ее субстрат – среда с вязко-пластичными свойствами. Определилась геометрия плит. Вместе с таким подходом возникла возможность привлечения уже существующего математического аппарата, позволяющего описывать перемещения плит на сфере. А это привело к математическому моделированию процессов плитной тектоники со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Современная наука оперирует четырьмя основными типами сил, изученными сегодня достаточно хорошо:

1) гравитационными, господствующими в космосе;

2) электромагнитными – в мире атомов, молекул и кусков вещества, которые они слагают;

3) ядерными – в ядрах атомов;

4) слабыми взаимодействиями – в мире самих частиц, из которых складывается все вещество, в том числе и атомные ядра.

Однако постепенно физика приходит к тому, что может появиться еще пятый тип сил – умеренно сильное взаимодействие. Но все это скрывается в тайнах микромира.

Эти достижения относятся к области материального мира. Но вспомним снова этносы Л.Н. Гумилева, историю человеческих взаимоотношений, историю культуры, историю религии и, наконец, то, что теперь понимают под словом «экология». Сразу же становится ясным, что материальный мир не исчерпывает космоса.

А это означает, что помимо четырех-пяти типов сил, являющихся объектом изучения физики, должны существовать и иные типы сил, которые управляют разумом и душой, которые, возможно, и правят для нас с вами «бал».

Заключить же разговор о силах мы хотим таким замечанием: со времен Кельвина и Клаузиса (XIX век) центральное место в физике, а затем и во всех науках стало занимать не понятие силы, а более общее и совершенно абстрактное (высшая степень обобщения и понимания) понятие «энергия».

Поля

Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою.

Бытие

Когда мы говорим о поле, то имеем в виду некую область, которая может быть охарактеризована той или иной величиной. Чаще всего имеются в виду величины физические, такие как температура, масса, заряд и т.п. Именно ими и занимается до сих пор современная наука, пытаясь на базе частных исследований создать общую теорию поля.

Однако в современном мире понятие поля трактуется более широко, хотя в этом случае чаще говорят не о поле, а о пространстве, в котором существуют и действуют определенные силы или проявляются те или иные свойства, скажем, обсуждаются геополитическое пространство, духовное, информационное, экологическое и т.п.

С общей теорией поля у физиков пока еще ничего дельного не получается. Может быть, причина неудач кроется в том, что в основу строительства такой теории закладываются лишь материальные поля, т.е. общая теория поля видится как теория чисто физическая. Наверное, со временем этот психологический барьер в науке будет преодолен, и этому в значительной мере может способствовать развитие экологии как современной натурфилософии.

Физическое поле создается определенными материальным источниками, через взаимодействие которых поле воспринимается и изучается. Поэтому за основную характеристику поля принимают силу, с которой оно воздействует на источник. Эту силу называют напряженностью поля. Напряженность поля Е – величина векторная и направлена по силе. Если сила действует по радиусу от источника, напряженность считается положительной, если по радиусу к источнику – отрицательной.

Поле принято изображать линиями вектора напряженности. В каждой точке такой линии вектор напряженности является касательной. Напряженность может быть изображена через потенциал, под которым понимают работу, произведенную внешними силами для внесения единицы положительного источника в данную точку поля из бесконечности, при условии, что напряженность в бесконечности равна нулю. Эта работа и создает источнику не-

который энергетический потенциал U. Между потенциалом и напряженностью установлена следующая связь:

Е = –gradU. (2.1)

Поверхности равного потенциала называются эквипотенциальными (или изопотенциальными). Градиент направлен по увеличению потенциала, а напряженность в сторону его падения. Обе величины – и напряженность, и градиент – нормальны к эквипотенциальным поверхностям.

Реальные источники поля всегда имеют некоторый объем, однако при решении конкретных задач приходится так или иначе схематизировать природную обстановку, сводя ее к ситуациям, достаточно близким нашим теоретическим моделям. Самой простой моделью источника является точка, которая отвечает понятию бесконечно малого объема и реально соответствует источнику с размерами, существенно меньшими расстоянию от него до точки наблюдения. Более сложными приближениями являются линия, поверхность и объем с равномерно распределенными в них точечными источниками, что, с одной стороны, противоречит атомному строению зарядов и масс, но с другой – согласуется с тем, что такие теоретические поля практически не отличаются от реальных полей, продуцируемых большой совокупностью атомов.

Теперь коротко охарактеризуем основные физические поля Земли.

Поле силы тяжести Земли.Источником гравитационного поля Земли является ее масса М. Однако всякое тело, находящееся в этом поле, испытывает не только притяжение, но и действие центробежной силы, возникающей в результате вращения Земли. В соответствии с законом тяготения Ньютона

F = GmM / r, (2.2)

где F – сила притяжения, действующая на тело с массой т; r – расстояние между центрами масс; G – постоянная тяготения, равная 0,66720 · 10^-10 м³/(кг · с²).

Обозначив радиус Земли через R, а расстояние центра массы тела от ее поверхности через h, нетрудно получить

F = GmM / (R + h)²;(2.3)

при условии h << R (т.е. для приповерхностных областей):

F = GmM / R² (1 + h / R)²; (2.4)

F = GmM / R²(1 + 2h / R) (2.5)

(последний член квадрата суммы (h/R)² рассматривается как очень малая величина и отбрасывается). Если пренебречь вращением и рассматривать Землю как покоящийся идеальный шар со сферично-симметричным расположением масс, то можно принять, что сила притяжения F равна силе тяжести F_g. Отнеся эту силу к единице массы тела, найдем

g_h = F_g / m = GM / R²(1 + 2h / R), (2.6)

где g_h – ускорение силы тяжести на высоте h от поверхности Земли. Очевидно, что на поверхности Земли h = 0, и тогда в соответствии с (2.6)

Из выражения (2.6) видно, что по своему физическому смыслу при условии покоящейся Земли величина g_h является напряженностью гравитационного поля (g = Е). Однако в реальных природных условиях сила тяжести равна силе притяжения (F = F ) только на полюсах и уменьшается к экватору.

Такой эффект создает центробежная сила f, которая для самой простой модели формы Земли – шара, определяется из формулы

f = тω² (R + h) cos φ, (2.8)

где ω – угловая скорость; φ – широта.

Из рис. 2.1 видно, что сила тяжести представляет собой разность между силой притяжения F и радиальной составляющей центробежной силы f_R:

f_R = fcosφ. (2.9)

Очевидно, что на полюсах φ = 90°, cos φ = 0) f_R = 0 и потому F_g = F. На экваторе (φ = 0°, cos φ = 1) F_R = f и соответственно F_g = F – f.

Если за модель Земли принять более сложную форму, чем шар, то учет центробежной силы также усложняется.

Из выражения (2.3) видно, что сила притяжения F с высотой уменьшается, а из (2.8) следует, что центробежная сила f при этом увеличивается. Точка пересечения зависимостей F(h) и f(h) находится от поверхности Земли на высоте приблизительно 36 000 км. На этой высоте напряженность поля силы тяжести g = 0. Величина g меняется не только на поверхности Земли в зависимости от географической широты, не только по мере удаления от нее при увеличении R, но и по мере уменьшения R, т.е. с глубиной. Вначале, до глубины около 2500 км, напряженность g меняется очень слабо по той причине, что уменьшение объема пород, создающих гравитационное поле, компенсируется возрастанием их плотности. Далее в направлении к центру планеты увеличение плотности уже не спасает положения: масса вещества Земли уменьшается и, как следует из выражения (2.7), при R = 0 g = 0.

Таким образом, поле силы тяжести Земли имеет две границы: на высоте около 36 000 км от ее поверхности и в ее центре. Максимальные и наиболее устойчивые значения напряженности этого поля g наблюдаются в приповерхностных условиях и в недрах до глубины около 2500 км.

Тепловое поле.Как и поле силы тяжести, тепловое поле Земли формируется под действием внешних и внутренних источников. Они подробно обсуждаются в многочисленных публикациях и, кроме того, знакомы по школьным курсам географии. Поэтому остановимся лишь на некоторых сторонах этого интереснейшего и сложного вопроса, подчеркнув, что природа источников теплового поля во многом еще не ясна и представления о ней находятся на уровне концептуальных моделей.

Температура на поверхности Земли определяется главным образом солнечной теплотой, поток которой составляет в среднем 0,034 Дж/(с · см²) (1 джоуль = 10⁷ эрг, 1 кал = 4,187 Дж). Однако в каждой конкретной ситуации величина эта существенно меняется и зависит от времени года и времени суток, рельефа местности, географической широты, погодных условий, характера поверхности (вода, лед, растительный покров) и т.д. Считается, что поверхность Земли находится в состоянии, близком к тепловому равновесию, и в среднем излучает столько же теплоты, сколько получает. Но этот баланс по своей структуре чрезвычайно сложен и неустойчив во времени, а также может существенно меняться в результате техногенной деятельности человека.

Земля не только получает и переизлучает обратно солнечную энергию (около 10²⁵ Дж/год), она имеет и собственный тепловой поток, генерируемый в ее недрах (приблизительно 10²¹ Дж/год). Однако помимо теплового излучения Земля теряет глубинную теплоту и другими способами: через потоки магматических расплавов, вулканических газов, подземных вод, при процессах горообразования, метаморфизма и тому подобных геологических процессах. Оценить долю этих потерь в общем тепловом балансе Земли весьма трудно, и до сих пор сколь-нибудь достоверных цифр получить не удалось. Тем не менее ориентировочные расчеты позволили сделать вывод, что тепловой поток в этом балансе является основной статьей.

Читатель, безусловно, знаком с тем фактом, что температура горных пород с глубиной (вдоль координаты Z, направленной по радиусу Земли), как правило, возрастает. Интенсивность этих изменений характеризуется геотермическим градиентом, среднее значение которого для Земли оценивается в 3,3°С на каждые 100 м погружения. Однако в разных геологических структурах этот градиент существенно различается и в истории развития Земли навряд ли был постоянным. Наибольших значений он достигает в молодых горно-складчатых областях. Например, в Курило-Камчатской вулканогенной зоне известны градиенты до 20°С. Наиболее низкие значения характерны для древних кристаллических щитов (0,6-1,0°С). Поверхности с равными значениями температуры называются изотермами и рассматриваются как изопотенциальные. Напряженность температурного поля E_T направлена от потенциальных поверхностей с высокими температурами к потенциальным поверхностям с низкими температурами:

E_T = –gradT (2.10)

Плотность теплового потока q связана с температурным градиентом простой зависимостью, получившей название закона Фурье:

q = –КgradT, (2.11)

где К – коэффициент теплопроводности (скалярная величина).

Из (2.11) видно, что параметр К характеризует количество теплоты, проходящей через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры, равном единице. Теплопроводность зависит от типа породы, давления, температуры, пористости, содержания в породе воды, количества растворенных в ней веществ, состояния воды.

Если геологическая структура может быть по коэффициенту теплопроводности представлена как симметричное тело, число независимых переменных уменьшается. При сферической симметрии, соответствующей понятию изотропности, К = const.

В верхних областях земной коры основная доля переноса связана с подземными водами, которые, проникая с поверхности Земли в глубину, отбирают теплоту у горных пород, нагреваются от них, как от источников теплоты, и затем выносят теплоту на поверхность. Кроме того, вода, понижая температуру плавления пород, способствует образованию магматических очагов. Выход же этих расплавов (магм) на поверхность Земли или в верхние участки земной коры также представляет собой конвективную форму теплопереноса.

Поверхность Земли испытывает температурные колебания разной периодичности: суточные, сезонные, годовые, многолетние, вековые и геологические. Эти колебания имеют разную амплитуду, но все они от поверхности Земли передаются на глубину, формируя тем самым вертикальную температурную зональность.

Естественное тепловое поле имеет сложную структуру, определяемую как анизотропией тепловых свойств горных пород и неравномерным распределением источников теплоты, так и механизмом теплопереноса.

Магнитное поле.Это поле современная наука рассматривает как форму материи, которая действует на заряженную частицу с силой, зависящей от произведения ее заряда на скорость. Здесь речь идет об электрическом заряде, поскольку магнитных зарядов в природе не обнаружено. Микроскопические же источники магнитного поля в природе существуют: ими являются электроны, протоны и нейтроны. Магнитный диполь, который они формируют, обязан своим существованием движению электрического заряда. Этот диполь и рассматривается как источник магнитного поля.

Магнитное поле Земли характеризуется напряженностью Т. Линии напряженности представляют собой силовые линии магнитного поля. Они направлены от южного магнитного полюса к северному. В каждой точке этой линии напряженность является касательной. Наклон этой касательной к соответствующему магнитному меридиану (к сфероидной поверхности Земли) называется магнитным наклонением J. Очевидно, что на магнитном экваторе J = 0°, а на полюсах J = 90°. Кроме того, принято различать вертикальную Z и горизонтальную Н составляющие магнитного поля. Нетрудно понять, что они имеют между собой простую связь (рис. 2.2):

T² = H² + Z²; (2.12)

tgJ = Z / H. (2.13)

Магнитные полюса не совпадают с географическими. Поэтому для характеристики магнитного поля используют еще одну величину – магнитное склонение D:

D = A – T, (2.14)

где А – направление географического меридиана.

В системе СИ за единицу напряженности магнитного поля (величин Т, Н, Z) принимают напряженность поля бесконечного линейного тока в 1 ампер на расстоянии R = 1/(2π) метров от него (ампер на метр, А/м). Элементы