Преобразования горной породы

Парниковый эффект

Круговорот азота в природе

Радиометрическое датирование

Круговорот воды в природе

Гипотеза геи

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (С0₂). рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

— углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве С0₂;

— растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

— растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо, например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы С0₂ в морской воде также возможно несколько вариантов:

— углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

— углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см. цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы

Дыхание

Атмосфера

Дыхание

Дыхание

при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием С0₂ на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Составной частью этих поисков является установление количества С0₂, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов С0₂, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.

Ламаркизм

Эволюция происходит путем наследования приобретенных признаков

1809 • лАМАркиЗМ

ок. 1850 • СОЦИАЛЬНЫЙ ДАРВИНИЗМ

1859 • ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Еще до появления разработанной Чарлзом Дарвином теории эволюции путем естественного отбора многие ученые пытались объяснить разнообразие форм жизни на нашей планете. Самый вьщающийся из них — Жан-Батист Ламарк. Как и другие ученые XVIII века, он заметил, что чем старше пласты горных пород, тем более простые формы жизни они содержат, поэтому история живых существ отражает развитие от простых организмов к более

сложным (см. закон последовательности напластования

горных пород).

На основании этого Ламарк сделал вывод, что в природе имеет место эволюция (он употреблял термин «продвижение»). Он предположил, что эволюция происходит под влиянием двух факторов. Первый из них (и именно с ним ассоциируется имя Ламарка) связан с наследованием приобретенных признаков. По мнению Ламарка, если в течение жизни у какого-нибудь организма развились особенные способности, его потомство унаследует эти способности. К примеру, дети тяжелоатлетов должны были быть более мускулистыми, дети интеллигентов — более умными и так далее. В качестве иллюстрации своей теории Ламарк часто приводил в пример жирафа, шея которого удлинялась в течение многих поколений из-за того, что животные тянули ее, чтобы достать вкусные молодые листочки с верхних веток деревьев. Второй менее известный фактор по Ламарку — существование универсальной созидательной движущей силы, изначального стремления к совершенствованию, под воздействием которого происходит постепенное усложнение всех форм жизни.

Конечно, сегодня известно, что наследственность зависит от генов, закодированных в молекуле ДНК, и что эволюция происходит в результате естественного отбора этих генов. Если жизнь стала сложнее, то это произошло только из-за того, что сложные организмы успешнее используют окружающую среду и система воспроизводства у них продуктивнее. И нет никакого мистического «стремления к совершенствованию».

жан-батист пьер-антуан де моне, шевалье де ламарк

(Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck, 1744-1829) — французский естествоиспытатель. Родился в Базантене (Пикардия)и был одиннадцатым ребенком в семье наполовину обедневших дворян. Пошел добровольцем в армию и служил во время Семилетней войны в разных французских военных учреждениях в районе Средиземного моря. Во время поездок заинтересовался растениями, и эти исследования принесли ему первое признание французского научного сообщества. После увольнения из армии некоторое время работал в банке, был трижды женат, но оставался бедным. Интересы Ламарка были очень разнообразны: ботаника (до Французской революции он был смотрителем Королевского ботанического сада), беспозвоночные животные (именно он впервые ввел этот термин), химия, метеорология, геология и палеонтология, что в конце концов и привело его к созданию первой целостной теории эволюции, изложенной в книге Философия зоологии (1809).

Магнетизм

•

Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики или диамагнетики

магнетизм

ЗАКОН АМПЕРА

ЗАКОН КЮРИ

ТОЧКА КЮРИ

МАГНИТНЫЕ МОНОПОЛИ

Согласно закону ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, все равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он в целом создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамаг-нетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом

деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции фараде я, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего

движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак не от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Магнитные монополи

В природе до сих пор не найдено изолированных магнитных зарядов. Поток магнитного поля, проходящий через замкнутую поверхность, равен нулю

1600 _• МАГНЕТИЗМ

1813 ^ ТЕОРЕМА ГАУССА

1897 ^ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

1931 ^ магнитные монополи

У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный). Однако, если разрезать магнит пополам, вы не получите отдельно южный и отдельно северный полюс: вы получите два магнита половинного размера, и у каждого снова окажется два полюса, ориентированные так же, как и у исходного магнита. И сколько бы вы ни повторяли процесс такого деления магнитов, вы просто будете получать все больше и больше двухполюсных магнитиков или, выражаясь научным языком, магнитных диполей. Как бы вы ни изощрялись, однополярного магнита — положительного или отрицательного магнитного заряда, или монополя, — вы не получите. Иными словами, в природе магнитных монополей не существует.

Этот факт сразу же подчеркивает удивительную асимметрию между магнетизмом и электричеством. Согласно закону био — савара, магнитные поля возбуждаются при движении электрических зарядов, а первый из законов электромагнитной индукции фарадея показывает, что движение магнитов возбуждает электрические токи. однако носители электрических зарядов выделить можно — например, электроны несут отрицательный единичный заряд, а протоны — положительный. С магнитами же, судя по всему, дело обстоит иначе.

Ученые уже давно ведут теоретические дискуссии о том, существуют ли магнитные монополи, и пытаются обнаружить их экспериментально, однако до сих пор тщетно. Во многом эти усилия обусловлены критерием красоты теории. Для физиков-теоретиков Вселенная без магнитного монополя подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте. В ранней вселенной должно было сформироваться великое множество магнитных монополей, однако при последующем стремительном расширении они оказались размазанными очень тонким слоем по холсту мироздания. Возможно, во всей видимой части Вселенной существуют считанные единицы магнитных монополей, хотя, рискну предположить, что их все-таки несколько больше, и рано или поздно они объявятся.

Если монополи будут открыты, придется пересмотреть формулировки некоторых законов, описывающих явления магнетизма, в частности теорему гаусса для магнитного поля. Представьте себе изолированный в пространстве магнитный монополь, окруженный замкнутой поверхностью произвольной конфигурации. В каждой точке поверхности будет наблюдаться магнитное поле, производимое монополем. Согласно закону Гаусса, суммарный магнитный поток, проходящий через такую замкнутую поверхность, должен равняться нулю, а в случае присутствия внутри нее магнитного монополя он будет, очевидно, отличен от нуля. То есть закон Гаусса не допускает существования магнитных монополей.

Закон Гаусса, собственно, и исходит из того, что магнитные поля производятся диполями, их силовые линии замыкаются и, как

следствие, проходят сквозь окружающую поверхность дважды — в ту и другую сторону. Поэтому суммарное поле и обнуляется. В случае же монополя, каковым, в частности, является электрический заряд, силовые линии не замыкаются сами на себя, и закон Гаусса не выполняется.

То есть, если допустить существование магнитного монополя, суммарный поток магнитного поля через поверхность не будет равен нулю, а будет пропорционален магнитному заряду и будут выполняться два закона Гаусса для электрического поля.

Максимальная устойчивая добыча

Существует максимальное число особей, которых можно удалить из данной популяции, не ставя ее под угрозу исчезновения

РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДЕ

1798 ^ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РОСТ