Контрольная работа: Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Пояснение принципа локального равновесия
Химическая эволюция континентальной части земной коры проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа коры, к кислому, гранитному, и океаническая кора постепенно (примерно 2,5 млрд лет назад) превратилась в континентальную. Этому способствовало несколько факторов:
при формировании ядра планеты в одном из полушарий выделилось больше базальтов;
состав продуктов извержения вулканов менялся, изменяя толщину континентальной коры. Базальтовые магмы обогащались SiO2, А12O3, Fe2O3, Na2O, соответственно уменьшая долю MgO, FeO, CaO;
начался мощный круговорот веществ, включающий переработку первичной коры под действием солнечной энергии, гравитации и всей биосферы (рис. 10.4, а).
Огромные массы земной континентальной коры прошли через состояние осадочных пород, были перемыты водой и изменились под действием многих компонент. Длительный круговорот воды вымывал из коры некоторые базальтовые элементы (наиболее растворимые Са++, Mg++, Fe++), сохраняя малоподвижные типа SiO2, А12O3. Натрий попадал в океан в большом количестве, находился там в растворенном виде, но его значительная часть возвращалась в континентальную кору в виде осадков. Калий задерживался в тонкодисперсных глинах и растительных остатках, поэтому его больше в континентальной коре, чем в океанической (рис. 1).
В лабораторных условиях моделировали глобальные изменения только последнего геологического периода. Для изучения взаимодействия пар земных слоев изготовили двухслойные модели: лист резины толщиной 1,5 см залили тонким слоем (3—4 мм) легкоплавкого материала (воска или парафина), сцепляющегося с резиной. После остывания модели растянули домкратами. В верхнем слое резины появилась сеть трещин и возникла блоковая структура, характерная для верхнего слоя земной коры. При сильном измельчении от подложки отслоились мельчайшие «блоки», и дробление прекращали. Так проверили идею Вернадского об определенной организованности процессов в земной коре и энергонасыщенности геологической среды.
Гипотезу дрейфа континентов развивал немецкий ученый А. Вегенер (1912), хотя она казалась необоснованной. Сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки издавна считали свидетельством разделения единого материка.
|
Вегенер назвал его Пангея (от греч. pan — все + gaia — земля). Итальянский ученый Синднер-Пеллегрини указывал на сходство не только очертаний, но и ископаемых растений и месторождений угля в Америке и Европе. Примерно в это же время гляциолог Ф. Б. Тейлор связывал образование молодых гор третичного периода вокруг Тихого океана с «раскрытием» дна Атлантического океана. Причину он видел в приливных силах Луны после ее захвата Землей в меловом периоде, что и вызвало дрейф континентов. А.Холмс в 1927 — 29 гг. выделил силы конвективного течения в верхней мантии Земли как способные переместить континенты (верхнюю оболочку толщиной 50 — 100 км). Измерения силы тяжести на море и на суше свидетельствовали в пользу гипотезы дрейфа континента.
Район землетрясений образуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на лито]-сферные плиты— стабильные участки. Плиты (толщиной 75 — 150 км) включают в себя значительную часть верхней мантии. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими и широкими океанскими желобами. По ним расположено большее число действующих вулканов. Плиты перемещаются по поверхности мантии Земли, края плит раздвигаются или сходятся. При раздвижении образуется трещина, в которую поступает вещество мантии; у поверхности оно затвердевает, образуя кору. Этот процесс назван спредингом. Выход вещества — один из процессов рудообразования. Оценка скорости приближения этих элементов к поверхности позволила бы уравнять потребление металла со скоростью формирования руд для достижения устойчивого развития человечества. Если плиты сходятся, их края погружаются в мантию, плита попадает как бы на переплавку.
Гипотеза Вегенера возродилась под влиянием сведений о строении океанического дна и новых данных палеомагнетизма. Оказалось, что континенты в ходе истории Земли испытывали смещения относительно магнитных полюсов, причем по сравнению с концом палеозоя (230 млн лет назад) расположение континентов изменилось. Для понимания процессов потребовалось провести магнитные измерения в океанах. В толще земных осадков установили несколько уровней смены векторов намагниченности пород. Мы живем в эпоху, которая началась около 730 тыс. лет назад, сменив эпоху обратной полярности. Но за этот период бывали и кратковременные смены магнитных полюсов. Исследования геофизиков показали, что возраст пород коры меньше возраста осадочных пород на дне океана и растет в зависимости от расстояния до хребта. Значит, на оси хребта создается новое вещество коры, а образованное ранее смещается от зоны раздвига со скоростью несколько сантиметров в год.
Гипотеза литосферных плит основана на их способности скользить по поверхности астеносферы (расплавленным глубинным породам), чем поверхность Земли приводится в состояние, близкое к гидростатическому равновесию. Эта теория получила признание в 60-е гг. XX в. Считается, что верхний слой коры состоит из 15 жестких плит, из них 50 % — крупные (до 1000 км), которые плавают на горячем, пластичном слое мантии Земли по поверхности астеносферы. При этом плиты могут сталкиваться, погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты. Эту гипотезу называют гипотезой новой глобальной тектоники, поскольку впервые попытались объяснить развитие Земли с помощью данных, полученных при изучении развития континентов и океанов. Литосферу моделируют системой плит, перемещающихся относительно друг друга со скоростями несколько сантиметров в год. Так, Гималаи, Памир и Тянь-Шань результат надвигания одной плиты на другую.
При росте плит расширяется океаническая котловина, магма поднимается, застывает и образует вдоль подводного хребта океаническую кору. При замедленном процессе сокращается протяженность спрединговых центров. В настоящее время длина такой системы около 56 тыс. км, а скорости развития порядка 5 см/год (в Атлантике почти вдвое ниже, в Тихом океане — в 3 раза выше). Умножая среднюю скорость роста на длину спрединговых центров, получим скорость формирования коры — 2,8 км2/год. Средняя площадь океанов — 310 млн км2, т.е. они сформировались за 110 млн. лет. Средством проверки гипотезы тектоники плит служила программа бурения с судна «Гломар Челленджер». Результаты бурения дна подтверждают, что океаны более «молоды», чем считали ранее. Возраст западной части Тихого океана — до 180 млн лет, т.е. за последние 2 млрд лет могли возникнуть и исчезнуть до 20 океанов. Если дно и континент принадлежат к одной и той же плите, то континент перемещается вместе с ней. Океаническая кора может погрузиться под континент, присоединяясь к мантии (субдукция). Кора поднимается на хребте, перемещается поперек котловины и погружается вдоль желоба, отделяющего зону субдукции. Породы охлаждаются в океане, растекаются по оси хребта и в стороны от него, и кора постепенно погружается. Некоторые горы на океаническом плато настолько велики, что поднимаются, как острова. Подводные горы чаще всего базальтовые и появляются из «горячих точек», расположенных под плитой. Если плита скользит по магме, возникает целая цепь быстро растущих вулканов, как на Гавайских островах. Скопления минерального сырья по всем границам плит подтверждает существование таких процессов.
5. Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции
Математическое моделирование как научное направление еще очень молодо, и, судя по всему, его эволюция в рамках компьютерно-технологических сдвигов продолжается .
Построение моделей представляет собой "применение фундаментальных законов природы, вариационных принципов, аналогий, иерархических цепочек", а процесс построения модели включает в себя следующие этапы:
«Cловесно-смысловое описание объекта или явления" ("формулировка предмодели»);
«Завершение идеализации объекта» и упрощение описания;
Переход «к выбору или формулировке закона (вариационного принципа, аналогии и т.п.)» и его записи в математической форме;
«Завершает формулировку модели ее «оснащение» (задание начального состояния и параметров объекта). Этот этап особенно важен, поскольку:
«И, наконец, формулируется цель исследования модели (найти закон преломления света, достичь понимания закономерностей изменения популяции, определить требования к конструкции ракеты, запускающей спутник, и т.д.)»;
Модель изучается всеми доступными методами (в том числе с применением различных подходов и вычислительных методов);
В результате исследования модели достигается поставленная цель. При этом "должна быть установлена всеми возможными способами (сравнением с практикой, сопоставлением с другими подходами) ее адекватность - соответствие объекту и сформулированным предположениям".
Последовательность этапов моделирования, соответствующая этому разбиению, представлена нами на рис. 1.
Рис.1
Плодотворность методологии математического моделирования при решении разнообразных задач за прошедшие годы была неоднократно подтверждена многочисленными примерами из области механики, термодинамики, биологии, экономики и социальных наук.
Демографическим проблемы, связанным со старением и плохим воспроизводством населения, в последнее время уделяется все больше внимания . Исследования на человеческом материале в силу целого ряда обстоятельств часто не позволяют получить убедительных результатов. Проблема связи старения с генетическими (наследственными) факторами, условиями жизни и окружающей средой относятся к числу таких проблем. Эксперименты на животных с более простой генетической и физиологической организацией и с коротким жизненным циклом позволяют глубже понять общебиологические основы старения и, в принципе, начать разработку мер по продлению жизни и предотвращению преждевременного старения у человека. Стандартные эксперименты чаще всего ставятся на популяциях плодовитых и короткоживущих насекомых (плодовая мушка Drosophila и средиземноморская мушка Ceratitis Capitata). Исследование последней имеет и самостоятельное прикладное значение, поскольку в ряде эта мушка является наиболее распространенным вредителем фруктовых плантаций, и уже около десяти лет выращивается в промышленных масштабах в Мексике в рамках программ биологической защиты урожая.
«Академический» этап моделирования старения представлен классическими популяционно-генетическими моделями Фишера, физиологическими моделями, моделями "теории надежности" и термодинамическими моделями. Переход к активным компьютерным методам исследования связан с переходом к методам Монте-Карло. Следуя давней традиции , физики с энтузиазмом берутся за решение кардинальных вопросов жизни, в данном случае за разработку моделей старения. Наиболее известна изящная bit-string модель бразильского физика Пенны (представляющая геном в виде строки двоичных сигналов). Однако, как и в случае анализа "жизни с точки зрения физика", результаты этой работы оказались интересными в основном для самих физиков и для широкой публики. Разрабатываемые вне связи с экспериментальными исследованиями, эти "модели старения" оказались абсолютно неадекватными с точки зрения биолога.
Но новом этапе цели математического моделирования связаны в первую очередь с желанием усовершенствовать процесс извлечения информации о механизмах старения и защитных механизмах у экспериментальных животных на основе реальных наблюдаемых в эксперименте данных. Математические модели позволяют выдвигать биологически обоснованные и формально корректные гипотезы о таких механизмах и тестировать их. Поэтому не удивительно, что в последнее время практически все ведущие экспериментальные команды в мире, ведущие исследования механизмов старения на популяциях насекомых, включили в свой состав специалистов по моделированию.
Общая цель этих работ, хотя и слабо формализованная, состоит в кардинальном изменении роли моделирования в экспериментальном исследовании живых систем. Вместо традиционного анализа "общих тенденций" и воспроизведения в модели средне-абстрактного объекта (организма или популяции), практика моделирования биосистем неуклонно движется к он-лайновому включению модели в сам процесс экспериментальных исследований. Результаты модельного исследования i-го эксперимента должны стать исходными позициями для постановки (i+1)-го. Можно даже сказать, рискуя вызвать справедливый гнев биологов-экспериментаторов, что сами экспериментальные исследования становятся средством верификация математической модели. Трудно ожидать, что в ближайшее время этот процесс завершится. Но сама цель становится все более очевидной.
Характерным примером такого взаимодействия могло бы стать наше "компьютерное повторение" классических экспериментов Майнарда Смита , не будь оно проведено сорок лет спустя после самих экспериментов. Мы смогли в рамках единой модели (гомеостатическая модель старения) объединить две ранних теории старения, Теорию темпа жизни и Пороговую теорию.
6. Какие факторы определяют изменения климата планет? Что доказывает единовременное происхождение тел Солнечной системы
Изменение климата — колебания климата Земли в целом или отдельных её регионов с течением времени. Его изучением занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, с недавних пор, деятельность человека. В последнее время термин «изменение климата» используется как правило (особенно в контексте экологической политики) для обозначения изменения в современном климате .
Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.
изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов,
изменение светимости солнца,
изменения параметров орбиты Земли,
изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,
изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере,
изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),
изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.
Галактика М 82 в созвездии Большой Медведицы. Около 3 млн лет назад из нее было выброшено вещество объемом в 6 млн солнечных масс, и часть его получила скорости, близкие к световым, т.е. произошел взрыв с выбросом энергии в 1065 Дж, эквивалентный одновременной вспышке 10 млн Сверхновых. Для взрыва объекта Лебедь А выброс энергии оценивается в 10 тысяч раз больше. Такие огромные значения энергии, превышающие в несколько раз гравитационную энергию связи всех звезд в радиогалактике, имеют своим источником область галактического ядра, где генерируются релятивистские электроны.
Планеты смещаются по отношению к Солнцу в одной фазе, т.е. одновременно, пропорционально массам получив запас кинетической энергии и скорость, они примерно одновременно достигают максимального удаления, затем почти одновременно начинают движение вспять.
7. Обоснуйте на основе эволюционных представлений о развитии структурных уровней организации материи становления ноосферы. В чем состоит суть концепции ноосферы по Вернадцкому? Существует ли ноосфера сейчас
Вернадский говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой Разума». Сам термин «ноосфера» возник на семинаре, где выступал Вернадский со своей концепцией биосферы. Его широко использовали Э.Ле Руа и П.Тейяр де Шарден, но понимали его как «оболочку мысли» на планете. По мнению Тейяра де Шардена, возникновение мысли — явление, которое знаменует собой «трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты».
