Закольцованная планета Земля. Или самоорганизация на пальцах
Тяжело обычным людям простым языком донести современные идеи науки — идеи самоорганизации, эволюционизма, неравновесных процессов. К примеру разговариваешь с верующим и через некоторое время как–никак а всплывает вопрос о происхождении мира, жизни и человека в частности…
Да и вообще, в отличии от вопросов специальных наук, эти три вопроса, тесно переплетаются с философией и религией и интересуют практически всех людей.
Можно рассказывать об автокаталитических реакциях, мире РНК, но это все темы, которые обычному человеку без подготовки непонятны. Это требует багажа знаний по заданной теме. В итоге человек и дальше не видит конкуренции вере в творца просто потому что ты не смог ему донести более сложную теорию. Сложность и требование специальных знаний это бич научных идей. Количество носителей знания обратно пропорциональна его сложности. Скажем людей верящих в Аллаха насчитывается примерно 1,5 млрд, а занимающихся теорией струн, думается, в районе нескольких тысяч человек. Осиливших «Бытие и время» Хайдеггера несравнимо меньше прочитавших «Алхимика» Коэльо.
Как наглядно показать обывателю неверность тезиса, что ничего само собой не может самоусложнятся и без творца само собой происходят только разрушение и упрощение? Ведь весь бытовой опыт обычного человека говорит именно об этом. Все усложнение дело рук созидательности человека.
Человек строит дом из груды дерева и кирпичей. Но никогда никто не видел, что бы из груды камней ветром была создана сама собой какая–то структура. Ну и этот бытовой опыт экстраполируется на все. В большинстве мифов и религий — людей, как и мир, создает антропоморфный творец.
У нас в университете было проходил междисциплинарный лекторий для аспирантов посвященный синергетике. Аудитория была разношерстная, от математиков и экономистов до лингвистов и филологов. Автор доклада рассказывал про диссипативные системы*, порядок и хаос, показывал красивые картинки с реакцией Белоусова–Жаботинского и каскадом Фейгенбаума.
* Диссипативные системы — это открытые термодинамические системы, которые функционируют вдалеке от теплового равновесия с окружающей средой, с которой обменивается энергией и материей. То–есть это устойчивое состояние, которое возникает в неравновесной среде при подпитке и рассеивании энергии извне.
Ушел он в частности и аудитории было непонятно к чему он решил поведать про вот это вот все прекрасное и чудесное. Как оно соотносится с реальной жизнью и что же в сумме все это значит? И сидели люди не с улицы, а пишущие кандидатские. Ну ведь можно было легко сделать еще один умственный шаг и обобщить частную реакцию на окружающую нас действительность.Что в реальности нас окружают открытые системы. Что живой организм одна из таких самоподдерживающихся открытых систем, находящаяся в квазиустойчивом состоянии вдалеке от теплового равновесия. Что Вселенная открытыми системами наводнена и потому говоря про такие вот забавные реакции, мы должны понимать что это лишь простенькие модели окружающей нас реальности и они интересны в изучении именно поэтому. Они концептуальная призма, через которую мы описываем мир вокруг нас. Который стал не механистичным как механические часы а сложным, самоорганизующимся из хаоса.
В принципе мало кого волнует сама по себе реакция Белоусова–Жаботинского. Людей, как я уже писал выше, интересуют «вечные», как им кажется, вопросы. Откуда взялись мы на этой планете, происхождение жизни и то как возник мир в котором мы живем. И в процессе объяснения простому человеку, практически всегда натыкаешься на барьер непонимания того, что такое самоорганизация и как она возможна. Ведь не нужно никакой подготовки, что бы задаться этими «вечными» вопросами. Потому ими интересуется огромный круг людей без каких либо знаний и поставленного мышления. На эту удобренную почву потому хорошо и ложится религия, эзотерика и псевдонаука.
Я попытаюсь рассказать о том, как несколько слепых и тривиальных законов природы позволили самоорганизоваться функционирующей сложной системе под названием планета Земля, показав что самоорганизация это на самом деле не сложно и что она не ограничивается демонстративными реакциями на столах химиков а окружает нас всюду. Ведь с понявшим и принявшим самоорганизацию человеком уже на порядок легче говорить о тех трех вопросах.
Облик Земли и внешние силы
Давайте посмотрим на привычные вещи через призму самоорганизации. Как выглядела бы Земля, остановись в ее недрах диссипативные конвективные процессы? Примерно так как на картинке.
Аккумулятивные формы рельефа, порожденные экзогенными процессами
Для многих это пример безжизненной, безсобытийной, застывшей в вечности пустоши. На самом деле это иллюзия. Да, растений и животных здесь нет, не видно и форм рельефа порожденных внутренними силами Земли, типа гор или вулканов.
Фракталоподобная речная сеть. Морфоскульптуры нас окружают везде
Но процессы идут. Солнце накачивает Землю энергией.
Если поверхность под прямым углом к потоку фотонов, плотность их на единицу площади максимальна и потому они ей передают максимум энергии, таким образом нагревая ее до более высоких температур. При наклоне поверхности, площадь ее растет и плотность потока фотонов падает. Они нагревают единицу площади слабее.
Это обуславливает существование радиационных а потому и температурных градиентов, что обуславливает движение воздушных масс и круговорот воды в природе.
Это внешние силы Земли, так называемые экзогенные процессы. Они стачивают выпуклости и заполняют их материалом впадины, выравнивая рельеф. Не будь их, земная поверхность напоминала бы лунную, усеянную от постоянных бомбардировок кратерами, которые не сглаживаются дождями и ветрами а формируют застывший в веках облик небесного тела усеянного шрамами, исчезающими лишь под новыми шрамами.
Но вернемся к нашим фотонам. В идеале конечно воздух должен прогреваться в экваториальной области, подниматься и перетекать к полюсам, попутно охлаждаясь опускаться и возвращаться назад к экватору, закольцовываясь для компенсации разности давлений. Однако сия модель не учитывает вращение Земли.
Усложненная модель, учитывающая вращение Земли. Показаны только приземные воздушные течения
Когда теплый воздух двигается от экватора, то перетекая по сферической поверхности планеты приближается к оси вращения Земли. В соответствии с законом сохранения момента импульса, при уменьшении радиуса вращения соответственно должен увеличиваться импульс. А поскольку массу увеличить нельзя, то растет скорость. Точно так же происходит, когда фигуристка вращаясь с раскинутыми руками, прижимает их к себе, что ускоряет ее вращение. В конце концов, зональная скорость становится такой большой, что воздушные массы перестают двигаться по направлению к полюсу, и идут на восток, охлаждаясь, опускаясь и закольцовываясь. Так образуется конвективная ячейка.
Тайфун у берегов Японии
Всего ячеек три. Ячейка Хэдли простирается в обоих полушариях по широте от экватора до 30°, от 30 ° до 65 ° располагается ячейка Ферреля а за ней до полюса лежит полярная ячейка. Детали механизма циркуляции воздушных масс у них различаются, но концептуально это все — диссипативные структуры. Вот так просто, на температурном градиенте вращающегося шарика зародилась целая климатическая машина — самоподдерживающаяся термодинамическая структура, питающаяся энергией Солнца. Воздух в атмосфере не беспорядочно блуждает туда–сюда а в глобальном масштабе воздушные массы самоорганизуются из хаоса в упорядоченные структуры благодаря неравновесности среды.
Естественно воздушные массы переносят с собой и воду, создавая циркуляцию воды в природе а так же в ряде случаев и взвеси и минеральные частицы, работающие как наждачка. Вода, воздушные массы, лед и другие агенты, стачивают, разрушают и выравнивают неровности, переносят и аккумулируют материал, создавая новые формы рельефа, называемые морфоскульптурами.
Само название говорит об их сути. Внешние силы Земли как скульпторы работают с материалом — морфоструктурами предоставленным внутренними силами, обтесывая и стачивая их, создавая очертания по своему хотению.
Дельта реки Бецибука на Мадагаскаре
На фото целый комплекс — линейная и речная эрозия, транспортировка материала и аккумуляция в дельте. Нет ни одного места не задетого экзогенными процессами. Вода в река красная, так как она выносит латерит, богатый железом и алюминием. Рельеф вокруг реки усеян мелкими эрозионными бороздами, по которым во время дождей вода вымывает материал.
Да, порядок изображенный на фото, слабо похож на порядок, к которому привыкли мы, к порядку прямых линий и правильных кругов или квадратов, которые проглядываются в том, что мы производим. Порядок заключенный в рельефе имеет фрактальную природу. Все эти речки, речушки и ручейки, впадающие друг в друга создают самоподобную структуру. На фото справа это видно лучше. А фракталы это не беспорядочное нечто а фигуры, прекрасно описываемые простыми математическими формулами, имеющие строгую внутреннюю упорядоченность. Они используются для моделирования облаков, турбулентности, популяций, ветвления кровеносных сосудов, крон деревьев и многого другого. Не нужно сложно устроенного творца для создания сложных структур. Достаточно набора простых законов.
Внутренняя жизнь Земли
Перед вами «лавовая лампа», забавный светильник, призванный создавать своим теплым сиянием и медленными движениями уют в домашнем полумраке. Суть его работы в том, что при обычной температуре парафин немного тяжелее масла и тонет в нем, а при небольшом нагреве он становится легче масла и всплывает. Все завязано на лампе накаливания, которая его нагревает. Отключи ее и парафин быстро остыв, осядет на дне и лампа прекратит свой завораживающий танец, превратившись в статичную «мертвую» сущность. Этот скучный финал ждет любую замкнутую термодинамическую систему и называется тепловой смертью.
Более сложный пример самоорганизации можно наблюдать, подогревая снизу масло. Придонные слои нагреваются, средние кинетические энергии молекул растут. То–есть они как–бы более интенсивно расталкиваются друг с другом, подобно людям в толпе, выбивая больше пространства для себя. Соответственно падает количество молекул на единицу объема, снижая плотность. И за счет относительно уменьшившейся плотности, эти разогретые массы начинают всплывать, в то время как верхние холодные и тяжелые слои «проваливаются» на дно, нагреваясь там. Воспарившие кверху массы охлаждаются, тяжелеют и проваливаются вниз, продолжая эту бесконечную карусель. Все просто до безобразия. Всего–то потребовалась пара элементарных законов физики.
Вот так все это дело выглядит изнутри.
Этот же механизм, только в гораздо больших масштабах, запущен внутри нашей планеты. Мантия прогревается ядром, имеет на границе с ним температуру 4000 °C, в то же время температура ее верхней границы, соприкасающейся с корой, составляет всего 500–900 °C. Подогревается мантия за счет гравитационной дифференциации вещества и радиоактивного распада внутри планеты.
Запускается процесс конвективного перемешивания масс вещества. Образуются огромные конвективные ячейки. Только вот на поверхности нашего шарика есть еще и застывшая корочка, которая плавает на мантии и увлекается движениями глубинных конвективных потоков.
Когда восходящий тепловой поток пробивает себе путь через кору, он в ней застывает, наращивая ее. И так как он неумолим и запаивает сам себе проход, коре по обе стороны не остается ничего, кроме как расползаться, ее все больше, а поток прет. А так как диаметр планеты не растет, то если где–то наращивается новая кора, старая где–то должна и исчезать.
Конвейер устроен так, что океаническая кора, удаляясь от зоны спрединга*, обрастает материалом да и она более плотная чем континентальная, в конечном счете как правило упирается в последнюю и подныривает под нее, уходя в мантию и расплавляясь там. Происходит это в так называемых зонах субдукции.
*Спрединг — геодинамический процесс растяжения, выражающийся в импульсивном и многократном раздвигании блоков литосферы океанической коры и в заполнении высвобождающегося пространства магмой, генерируемой в мантии.
Скорость движения вещества в конвективном потоке близка к 20 мм/год. Неглубокий конвекционный цикл может занимать 50 млн лет, хотя глубокие могут занимать и 200 млн лет. Да, временные масштабы здесь побольше чем в лавовой лампе.
Красным показана самая молодая кора, которая находится вокруг зоны спрединга. Чем дальше, тем старше. Но что интересно, при том, что нашей планете 4,5 млрд лет, океаническая кора из–за конвейера, очень молода. Самые древние кусочки, которые сохранились, происходят из юрского периода, им не более 200 млн лет. Старая кора постоянно пожирается недрами планеты в зонах субдукции.
Океанические желоба, островные дуги, землетрясения и повышенная вулканическая активность в областях подныривания плит (зонах субдукции), подводные горы из осадочного материала, сдвигаемые одной плитой с поверхности другой, фокусы землетрясений располагаются все глубже по направлению от глубоководного желоба к континенту.
Очаги землетрясений размещаются узкими полосами под островными дугами вдоль активных побережий. В других областях Земли очагов землетрясений практически нет. Глубокофокусные землетрясения, лежащие на глубинах более 100 км, почти всегда приурочены к глубоководным желобам.
Очаги землетрясений располагаются на наклоненной в сторону континента плоскости, зоне Заварицкого – Беньофа(синоним зоны субдукции) и доходят до глубин 500–600 км. Это свидетельствует о том, что погружающаяся океаническая плита, по границам которой происходят землетрясения, остужает окружающую мантию до твердого состояния, при котором только и возможно накопление и мгновенное высвобождение энергии. Зона субдукции хорошо прослеживается на сейсмотомаграфических профилях, по крайней мере до границы верхней и нижней мантии (670 км) и средние скорости субдукции от 2 до 8 см/год.
Все это а так же движение континентов, увлекаемых мантийными потоками, дают образование макроформ рельефа. С континентами все обстоит несколько иначе чем с зонами субдукции. Когда сталкиваются две континентальные плиты, они как правило вступают в коллизию с образованием горных цепей.
Вот пример коллизии континентальных плит. В прошлом Индостан как бульдозер протаранил подбрюшье Евразии, смяв огромные массивы коры и превратив их в самые огромные на планете горные системы — Гималаи, Тибетское нагорье и Куньлунь. Это лишь эпизод в постоянном движении континентов, увлекаемых мантийными потоками.
Земная поверхность есть плоскость соприкосновения конвективных ячеек двух диссипативных структур — эндогенной и экзогенной, результатом борьбы которых является постоянно изменяемый рельеф.
Разумеется я лишь парой широких мазков нарисовал грубую картину того что происходит в действительности но все детали проистекают из комбинаций простых законов.
Я надеюсь что сумел показать то что самоорганизация распространяется гораздо дальше занятных реакций на столах химиков и частных случаев. В комплексе она создает неравновесную термодинамическую систему, которая постоянно видоизменяется, «живет». Простейшие физические законы создали мир вокруг нас! Эволюционно–синергетическая парадигма, через которую была показана «живая» планета очень далекая от безжизненного камня, дает ответы и на вопросы происхождения и развития Вселенной, жизни и нас. Не требуется разумных замыслов, достаточно простых законов. Но это уже другая история…
Ссылка на источник