Глава 4 Круговороты вещества в неживой природе
... Опять в морской простор
Спешит вернуться то, что небо сушит.
А реки снова устремляют с гор ...
А. Данте
Циклы воды и воздуха
Перейдем к описанию наиболее существенных круговоротов вещества на нашей планете, которые, как мы знаем, «раскручиваются» не сами по себе, а потому, что их непрерывно «заставляют» это делать потоки энергии, главным образом солнечной. Проанализируем работу одного из наиболее интенсивных циклов — круговорота воды и воздуха на земной поверхности.
Из всех круговоротов циклическое перемещение огромных количеств воды было наиболее интересным и важным для человечества. Общеизвестно, что древний человек селился главным образом по берегам рек и озер; сильно страдал от избытка и недостатка осадков, приносимых ветрами. Дождю, ветру, воде поклонялись, о них слагали легенды, их обожествляли (достаточно вспомнить легенды о страшном ливне и Всемирном потопе, которые в разных вариантах сохранились у многих народов).
Вполне естественно, что человек хотел знать, откуда берутся реки и ручьи, почему они не иссякают (или вдруг иссякают), почему выпадает дождь или снег, почему вода в море соленая, а в реке пресная и т. д.
Давайте вкратце рассмотрим на примере развития представлений о круговороте воды, как шло накопление знаний, каковы были наиболее типичные заблуждения и ошибки, как пробивала себе дорогу Истина. Особое внимание уделим вопросу, наиболее важному для энергетического подхода и для методологии в целом,— вопросу о движущих силах круговорота.
Сначала вспомним Фалеса Милетского (VI в. до н. э.), который считал воду основой всего многообразия природы. Он полагал, что ветер вгоняет воду в недра Земли, горные породы выдавливают ее вверх, откуда и текут реки и ручьи.
В основу учения Аристотеля (IV в. до н. э.) легли представления о круговороте несколько ранее жившего Демокрита, родоначальника атомистического учения. Демокрит, объясняя разливы Нила, утверждал, что проливные дожди в бассейне великой реки связаны с испарением снега и воды на севере и их переносом пассатами. Аристотель справедливо считал, что источником всех вод является влага атмосферы, но дождевых осадков недостаточно для образования и поддержания речных потоков. Поэтому он придумал конденсационную теорию образования воды из воздуха в многочисленных холодных земных пустотах. (Таким образом, опирался на трансформацию основных элементов: воды и воздуха).
Плиний Старший (1 в. н. э.), автор «Естественной истории»— сочинения, популярного вплоть до XVI в., писал, что вся вода стремится к центру Земли и собирается в низких местах, а поднимается вверх до истоков ручьев и рек и изливается в виде родников с помощью духа, который побуждает воду «раздуваться».
Варварство и феодализм вплоть до эпохи Возрождения отличались упадком и застоем в развитии познания природы, в том числе и нашей проблемы.
Например, в период средневековья единственное представление, разрешенное христианской церковью, основывалось на высказывании из «Книги Экклесиаст»:
Восходит солнце, и заходит солнце, и на место свое поспешает,
Чтобы там опять взойти;
Бежит на юг и кружит на север, кружит, кружит, на бегу своем ветер,
И на круги свои возвращается ветер;
Бегут все реки в море,— а море не переполнится,
К месту, куда реки бегут,—
Туда они продолжают бежать *.
* Цит. по: Поэзия и проза Древнего Востока: Библиотека всемирной литературы.— М.: Худож. лит., 1973.— С. 638.
Высказывание довольно точное и емкое, все участники событий перечислены, но вопрос о движущих силах круговорота, например, как и почему вода поднимается вверх, к истокам рек, увы, практически не ставится, да и не мог ставиться при теологическом толковании мира. (Так создано богом, так надо — вот стандартный догматический ответ на все вопросы).
Эпоха Возрождения поистине возродила интерес к познанию природы, дала миру гигантов мысли и чувства. Например, Леонардо да Винчи (1452—1519), задумываясь об источнике питания рек, близко подошел к пониманию влияния теплоты Солнца, но атмосферные осадки не считал основными в круговороте. Как и древние греки, он полагал, что морская вода способна подниматься вверх. Он уподоблял всю Землю живому организму (вот они, естественные истоки организмоцентризма, который так дорого стоил биологии, но об этом—позже!), где движение воды соответствует движению крови. Вода Земли, как кровь организма, согласно великому Леонардо, оживотворяет Землю и ее создания.
Но загадка источника движущих сил (подъема воды к истокам рек) так и осталась недоступной даже для лучших умов натурфилософии всех времен. Хотя для нас с вами разгадка кажется очевидной. И не в том дело, что мыслители прошлого были слабы; упомянутые здесь имена, сохраненные историей, сами говорят за себя. Слабость заключалась в натурфилософском подходе к изучению природы. Выделим две главные причины. Первая — не вставши на путь строгого количественного эксперимента, нельзя было выбрать единственно правильную из большого числа гипотез, призванных объяснять то или иное природное явление. Поэтому так важна была и вторая причина: схоластичность и авторитет учителя.
И только XVII в. с развитием капитализма, с его высокими требованиями к техническим средствам привел к быстрому прогрессу опытной науки — естествознания в современном понимании.
И сразу все стало на свои места! Почти триста лет назад знаменитый и в наши дни Э. Галлей (описанная им комета недавно вновь приближалась к нам) измерил в небольшом сосуде ежедневное испарение воды солнечными лучами. Убыль воды составила примерно 0,1 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). Он пересчитал это на поверхность Средиземного моря, взял приток воды в него примерно в 90 стоков Темзы и получил удивительные данные, которые показали, что испарение не только компенсирует сток, но и превышает его в 3 раза! А ведь именно нехватка испарения и считалась камнем преткновения для натурфилософов, начиная с Аристотеля.
Все дальнейшее стало уже делом техники, хотя и не простым. Но для оценки методологии, для нашего рассмотрения это уже не имеет принципиального значения. В XVIII и XIX вв. потребовалось много усилий, чтобы баланс круговорота был уточнен в деталях. К настоящему времени поверхность Земли покрыта сетью гидрометеорологических станций и балансы круговорота просчитываются на больших вычислительных машинах для длинных и коротких временных интервалов. Для нас важно, что организация этого потока вызывается потоком энергии солнечного излучения. Факт сам по себе банальный, но поучительный, если не забывать историю его установления — более чем двухтысячелетние заблуждения светлых умов натурфилософии.
Рис. 4. Гидрологический цикл на нашей планете.
1—океан; II—сточные области суши; III — замкнутые области суши. Стрелками обозначен перенос влаги. Цифры у стрелок соответствуют объемам воды в десятках тысяч кубических километров.
Приведем данные по глобальному круговороту воды на Земле (рис. 4). В целом для земной поверхности величина осадков, равная испарению за год, составляет 113 см [Будыко, 1977]. Общий объем испаряемой воды в год чуть превышает объем Черного моря.
Интересно оценить интенсивность участия различных вод в круговороте: глубинные воды имеют цикл обновления, они возобновляются за 5000 лет, воды Мирового океана — за 3000, воды непроточных озер в среднем — за 200 лет, воды проточных озер — за десятки лет, почвенная влага — за год, речные воды — за 12—15 дней, атмосферная влага—за 8—10 дней.
Таким образом, особенно напряженны процессы влагообмена, связанные с атмосферой и речными стоками.
Поражает воображение сам факт длительной, в течение миллионов лет, «жизни» любой крупной реки. Если перегородить русло и изъять источники, то вся вода реки может вытечь за несколько дней и оголится русло до самого океана! Устойчивость этой подвижной системы обеспечивается тем, что она является неотъемлемой частью «вечного» круговорота, который раскручивается самым мощным движителем на нашей планете — Солнцем.
Оценивая глобальный круговорот воды, конечно же, не следует забывать о мощнейших океанических и морских течениях, которые могут практически постоянно переносить громадные объемы воды. Всем известен Гольфстрим, который в десятки раз мощнее всех рек суши, вместе взятых, и который своим теплом греет Европу и даже влияет на климат Сибири. Менее известно антарктическое циркуляционное кольцо, которое является главным переносчиком вод из океана в океан (кроме «маленького» Северного Ледовитого).
Даже реки никогда не представляют собой направленные ламинарные потоки, текущие строго в одном направлении. Вот, например, как образно описывает известный писатель В. П. Астафьев в романе «Царь-рыба» вид на Енисей с борта самолета: «Поле реки, точно от взрывов мин, опятнанное воронками — кружилась вода на подводных каргах, было широко и в общем-то покойно, лишь эти воронки да царапины от когтей каменных шиверов и в крутых поворотах сморщенная, как бы бороной задетая гладь только и показывали, что внизу под нами все же не поле, а река, наполненная водой и неостановимым движением...»
Всем нам хорошо знакомы завихрения воды в любом бегущем ручейке, а такие большие заводи, омуты, в которых вода закручивается и движется навстречу основному потоку, памятны с детства.
Круговорот воздуха тесно связан с круговоротом воды, так как атмосфера является основным источником водяных паров. В отличие от воды, которая испытывает фазовые превращения (лед — вода — водяной пар) и гораздо более энергоемка, воздух только механически перемещается согласно градиенту температур и давлений. Зато скорость его перемещения может быть очень высокой по сравнению с водными потоками. Достаточно вспомнить о тропических ураганах или арктической пурге. И хотя иногда кажется, что нет никакой системы в перемещении воздушных масс, на самом деле глобальный круговорот воздуха достаточно хорошо организован и поддерживается нагревом поверхности Земли, равномерно распределенным в пространстве потоком солнечных лучей. Наибольшая разность температур отмечается между тропическими и полярными районами.
Воздух тропиков, нагреваясь, расширяется и поднимается к верхним слоям атмосферы. Воздух полярных районов охлаждается и, сжимаясь, опускается вниз и растекается по поверхности Земли, устремляясь в тропические районы. Вращение Земли приводит к отклонению циркуляции воздуха от меридионального направления. Особенности земной поверхности вызывают дополнительные завихрения и потоки, образование которых трудно предсказать (бури, ураганы, циклоны, антициклоны, смерчи и т. д.). Однако имеются и более постоянные перемещения воздушных масс. В приэкваториальной зоне большую роль играют постоянно дующие ветры — пассаты (северо-восточные — к северу и юго-восточные—к югу от экватора). На границах материк — океан перенос воздуха и влаги осуществляется периодическими ветрами — муссонами, которые компенсируют разность температур из-за неодинакового нагрева воздуха над сушей и водой. Летние муссоны дуют с моря, более холодного, зимние муссоны несут более холодный воздух суши. И наконец, существуют менее мощные ветры — бризы, которые меняют направление в течение суток. Этот ветер способен проникать на 40 км в глубь суши и захватывать столб воздуха высотой до 0,5 км, выше — ветер дует в обратном направлении. На этом примере можно хорошо видеть работу одного из частных круговоротов, вызванного к жизни потоком солнечной энергии.
Рассматривая круговороты воды и воздуха, мы должны учитывать их разномасштабность: от огромных глобальных до мельчайших локальных. И все они вызываются потоками энергии, основу которых составляет поток энергии от Солнца. Число локальных круговоротов неисчислимо.
Геологический цикл
На земной поверхности под влиянием потока солнечной энергии происходит выветривание горных пород, их разрушение. В результате такой эрозии в течение года ветрами, реками, ледниками уносится до 1010 т твердого и растворимого вещества.
Помимо физического переноса веществ происходит с неодинаковой скоростью выщелачивание химических элементов из основных пород. Например, кальций, калий, натрий, хлор, сера сравнительно легко уходят из кристаллических решеток первичных минералов; кремний, алюминий, титан, марганец, наоборот, крайне плохо растворимы. В образующихся рыхлых породах коры выветривания широко развиты процессы окисления (железо, сера, марганец в изверженных породах, как правило, двухвалентны, а в коре выветривания дают соединения Fe2O3; Na2SO4; MnO2(Fe+3; S+6; Mn+4)) [Перельман, 1977]. Часть выносимого осадка остается на шельфе, а часть доходит и до океанических впадин. Со временем осадок захороняется, погружаясь на все большую глубину, в том числе и под собственным давлением. При этом осадочные породы испытывают метаморфизм и подвергаются переплавке за счет тепла Земли. После чего в зонах подъема, частично перемешиваясь с глубинным веществом, они поднимаются вверх в горных цепях в виде магматических пород. И опять подвергаются выветриванию, попадая в следующие химические циклы.
Геохимические процессы, грубая канва которых приведена выше, совершаются на протяжении многих тысяч и миллионов лет. Понятно, что они испытывают очень сильное влияние биотического круговорота, интенсивность процессов в котором несравненно выше. Растительность, почва и особенно микроорганизмы вносят заметный вклад в геохимические явления, по еути превращая их в биогеохимические. В.И.Вернадский, [1965] в одной из последних работ писал, что процессы выветривания, в частности резко выраженные в биосфере, всегда биогенны и биокосны; микроскопическая жизнь в них играет ведущую роль.