1 год назад
Нету коментариев

На предыдущих примерах можно было заметить, что каждая обсуждаемая проблема носит характер антиномии, противопоставления. Это отражено в прин­ципе дополнительности Н. Бора, а математически — в теории групп. Обсудим с позиций антиномии еще один вопрос существования материи, прямо касающий­ся почв. Это второй закон термодинамики, который в науке до недавнего времени не имел дополнительной пары. Согласно этому закону, изолированная физиче­ская система самопроизвольно и необратимо стремится к состоянию равновесия; при этом энергия непрерывно рассеивается, а не концентрируется.

Но можно ли считать почву физической системой, да еще закрытой, изолированной от внешнего мира? Если почва не физическая система, то какая? Не бу­дем же мы считать почву живым существом. А если она физическая система, то согласно физической тео­рии в ней должно идти разрушение порядка, выравни­вание различий и симметризация явлений, чего не на­блюдается. Если же почву считать живой системой, то согласно биологической теории в ней должно идти непрерывное и повсеместное созидание, структурирова­ние, диссимметризация, накопление энергии, способной производить работу.

Можно ли ожидать, что физические законы, выяв­ленные для мертвой материи, и биологические — для живой, могут быть одновременно применимы при опи­сании природы почв? Если придерживаться физиче­ских законов, то почва должна терять свободную («работоспособную») энергию, увеличивая энтропию; если же биологических — она должна концентриро­вать, накапливать, такую энергию. От того, какое из этих двух аксиоматических положений будет нами принято, зависит ход дальнейших теоретических по­строений. Поэтому антиномия «концентрация — декон­цептрация» имеет большое значение для почвоведе­ния.

П. К. Ощепков (1967) указывал на существование такой дополнительной пары: «деконцентрация», когда «нагретый чайник» остывает, а «концентрация» — об­ратный процесс, когда «чайник с холодной водой» сам закипает без огня, вбирая тепло из окружающего про­странства. Эта антиномия для несамоорганизующихся систем противоречит здравому смыслу. Но поищем аналогии в природе. Природным объектом, в котором одновременно происходит самопроизвольная концентра­ция и деконцентрация свободной энергии, являются почвы. Они, как и все живое на Земле, казалось бы, противоречат обычному проявлению второго начала термодинамики в физических системах: в начальной стадии развития за счет фотосинтеза растений почвы активно концентрируют энергию, в зрелости находятся в устойчивом неравновесном состоянии, а разрушаясь, рассеивают свободную энергию, повышая энтропию.

Так, в черноземе свободной энергии, содержащейся в органическом веществе, во много раз больше, чем в подстилающей эту почву породе. При деградации чер­нозем, рассеивая свободную энергию, резко теряет пло­дородие. Последнему часто способствует неразумная деятельность человека. За последние 100 лет в черно­земах гумуса стало меньше на 1%. Это равносильно потере энергии, вырабатываемой несколькими сверх­мощными электростанциями, которая использовалась бы только для производства урожая. Так что почвове­дам не чужды задачи энергетики. Ученые, разрабаты­вавшие энергетические проблемы почвоведения, неод­нократно награждались Государственными премиями СССР. Только в отличие от гидроэнергетиков почво­веды строят свои «электростанции» не на реках, а на сельскохозяйственных полях, планируя агротехниче­ские приемы в целях повышения в почвах энергетиче­ских ресурсов, чтобы обеспечить максимум урожая при: небольших материальных и энергетических затратах.

Почва — тот самый «чайник», в котором энергия Солнца самопроизвольно стремится перейти в «тепло» (в свободную энергию органических веществ) благода­ря фотосинтезу и удержаться в нем. В почве идет не­прерывное обесценивание энергии, и энтропия есть мера этого процесса. Переработка энергии происходит за счет получения отработанного вещества — новообра­зованных гумуса и глинных минералов, результатов полезной работы. Пополнение свободной энергии, со­вершающей такую работу, ежегодно происходит при накоплении биомассы в почве, что позволяет почвен­ным временным диссипативным структурам понижать свою энтропию в пределах собственного объема (в про­цессе эволюции) или удерживать ее на определенном уровне — в динамическом устойчивом неравновесии.

Диссипативные (летучие) структуры придают поч­ве — неживому телу — удивительные свойства: она эво­люционирует как самоорганизующаяся система. При этом возникают структуры, способные «запоминать» некие правила, обеспечивающие их существование, устойчиво их фиксировать и воспроизводить в про­странстве. В мире почв оказывается возможной особая форма «наследственной» информации — самодостраи­вающиеся диссипативные структуры. Они прослеживаются на всех уровнях организации, от ультрамикро­скопических до почвенных ареалов.

Примером таких структур являются конвекционные неустойчивости Бенара, или ячейки Бенара (см. рис. 1). Благодаря закономерной циркуляции внутри­почвенных тепловых потоков, видимо, создающих элек­тромагнитные поля, в общем-то изначально бесструк­турная почвенная масса со временем с поверхности разбивается на правильные ячеи, подобные сеткам или пчелиным сотам. Таким образом, энергетически нерав­новесное состояние почвенной системы становится при­чиной возникновения в ней пространственно-времен­ных структур в виде геометрически правильных форм (прямоугольников, шестиугольников, окружностей). Такие структуры И. Пригожий назвал диссипативными, так как со временем они видоизменяются за счет расходования свободной энергии, потребляемой из окружающей среды.

Вероятно, почву следует изучать с позиций неклас­сической термодинамики (синергетики). Если класси­ческая термодинамика имеет дело с одним процес­сом — деконцентрацией, когда из первоначальной упо­рядоченности в результате роста энтропии возникает беспорядок, то неклассическая (неравновесная) термо­динамика рассматривает дополнительные аспекты, ха­рактерные для самоорганизующихся систем: при кон­центрации энергии из беспорядка рождается порядок. Эти представления в приложении к экологическим си­стемам развиты И. И. Свентицким (1982), Н. С. Пе­чуркиным (1982).

Антиномия «концентрация — деконцентрация» за­трагивает самую важную проблему современности: обеспечение жителей нашей планеты достаточным ко­личеством энергоресурсов. Энергию можно добывать не только за счет использования горючих ископаемых: угля, газа, нефти, а также атомной энергии. Исследу­ются реакции, которые позволяют концентрировать солнечную энергию подобно тому, как это происходит в хлорофилловых зернах. Пока такой процесс осу­ществляют сами организмы: на Земле только расте­ниями ежегодно накапливается органических веществ в несколько раз больше всего добываемого за этот же год угля. Не использовать энергию Солнца — обеднить не только себя, но и грядущее поколение людей: «…каждый луч Солнца, не уловленный, а бесследно отразившийся назад в мировое пространство,— кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка» (Ти­мирязев, 1948).

Фредерик Жолио-Кюри писал: «Хотя я и верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что подлинный перево­рот в энергетике наступит только тогда, когда мы смо­жем осуществить массовый синтез молекул, аналогич­ных хлорофиллу или более высокого качества» (1957, с. 518).

В обнаружении новых природных источников энер­гии почвоведение выходит на передовые позиции. В почвах превращение одних видов энергии в другие отличается большим разнообразием. При этом в них возникают постоянные естественные поля с напряже­нием 0,01—0,001 В. Электромагнитные поля почв и земной коры изучают геофизики, а редокс-потенциал замеряется почвоведами, биологами. Эти поля хотя и невелики, но выполняют различпую работу: в одних случаях полезную для человека, в других — неблаго­приятную. Различные металлические предметы: трубы, провода, опоры, закопанные в почву, подвергаются кор­розии за счет возникновения вокруг этих предметов электрических полей. С другой стороны, электромаг­нитные поля, видимо, участвуют в образовании и кон­центрации гумуса, водопрочных микроагрегатов почв, конкреций.

Микровольтметры показывают очень четкое возра­стание напряжения электрического поля при повы­шении температуры почвы. В теплый солнечный день редокс-потенциал почв увеличивается на 30—50 мВ по сравнению с холодным утром. Причем эти колебания носят закономерный синусоидальный характер в тече­ние суток (Снакин, 1984). Деятельность электронов и (или) ионов можно и послушать: для этого нужно под­ключить провода репродуктора или телефона к двум разнородным металлическим стержням, воткнутым в почву. Послышится слабый треск, усиливающийся при повышении температуры почвы, увлажнении, увеличе­нии содержания солей, гумуса. Видимо, почвообразование протекает под контролем естественных гравитаци­онных, электромагнитных и биологических полей.

Если бы удалось изучить природу этих полей в почвах, то можно было бы ими управлять в целях по­вышения биологической продуктивности растений. Предполагается, что необычайно мощный рост дальне­восточных растений связан с высокой магнитной вос­приимчивостью почв, в десятки раз превышающей та­ковую почв европейских. Можно привести и другие примеры, которые свидетельствуют о корреляции поч­венных процессов с электромагнитными свойствами почв.

Всем известен факт несимметричного строения рельефа земной поверхности, ее высокой «гофрированности»: одни склоны — холодные и влажные, теневые обращены на север и запад, а другие — теплые и более сухие, солнечные — на юг и восток. Почвы теневых склонов всегда мощные, многогумусные, мелкоземистые, а почвы солнечных склонов — маломощные, малогумусные, щебнисто-мелкоземистые. Заметное рас­хождение в содержании гумуса (3—5%) объясняют просто: на теневых склонах идут процессы, благопри­ятствующие его накоплению, а на солнечных гумус минерализуется, «сгорает».

Однако различия в природе почв можно объяснить иначе. Разница в температурах поверхности почв тене­вого и солнечного склонов достигает 10—30° С. Тепло от нагретого склона перемещается к холодному, созда­вая эффект, который внешне подобен явлению, проис­ходящему в термопаре, что способствует возникнове­нию естественного потока зарядов. Видимо, он несет отрицательно заряженные анионы — радикалы гумино­вых кислот — с теплого склона па холодный, пополняя запасы гумуса в его почвах, а из почв холодных скло­нов на теплые мигрируют катионы — кальций, магний, которые способствуют окарбоначиванию почв солнеч­ных склонов. По механизму это явление напоминает термоградиентный перенос вещества в почве.

Подобные электрические токи идут и по вертикаль­ному почвенному профилю, осуществляя электрофорез, проявляющийся в специфике гумусообразования — в равномерном окрашивании почвенной толщи, созда­нии глееватости и охристости в периодически увлаж­няемых почвах. Смена тепла и влаги изменяет поляр­ность электрического поля, что приводит к перезарядке некоторых почвенных горизонтов (особенно глеевых).

Представление о «перетекании» электричества из одной элементарной почвенной ячейки в другую, от од­ного склона к другому помогает объяснить природу многих физико-географических явлений: например, наличие четкой границы между лесом и субальпийскими лугами в горах, формирование снежников и ледничков в пригребневых частях теневых склонов и т. п. Здесь, видимо, возможно возникновение эффекта, подобного эффекту Пельтье3. Если в качестве «электрической цепи», состоящей из проводников разного качества, рассматривать почвы склонов северной и южной экс­позиции, а спаем считать рыхлые горные породы водо­раздела, то можно ожидать этот эффект. Он, вероятно, вызывает температурные различия в почвах пригреб­невых частей склонов: в месте контакта склона с греб­нем, где располагается граница между лесом и лугом или где сохраняются снежники, образуются аномально низкие температуры (теневой склон), а на противопо­ложном солнечном склоне — аномально высокие тем­пературы. Замеры электродвижущей силы показывают здесь высокие значения.

Если согласно гипотезе существует перетекание за­ряженных частиц с одного склона на другой, то это явление может объяснить роль человека в почвообразо­вании с иных позиций, а именно тем, что он в ре­зультате хозяйственной деятельности меняет электри­ческий потенциал и полярность. Но как это влияет на свойства почвы, остается неизвестным. Изменяя элек­тромагнитные свойства почв в одном месте, человек нарушает их в другом, непредвиденном месте, удален­ном от первого на десятки и сотни километров.

Например, истощение запасов гумуса в почвах од­ного склона может оказаться зависимым от того, как используются человеком почвы противоположного склона. Становится понятной асинхронная динамика ледников: в одних бассейнах они отступают, дегради­руют, в других — наступают, растут, хотя в общем на­ходятся в равных климатических условиях. Видимо, хозяйственная деятельность человека на противопо­ложном солнечном склоне отражается через электро­магнитные поля на динамике ледников, и не только их. Неизвестную роль играют также «сбросы» в почву про­мышленных токов.

Другим примером возможного возникновения элек­трического поля и его существенного влияния на почвообразование являются мерзлотные полигональные почвы. Почвенные полигоны напоминают термобата­реи, состоящие из термоэлементов и образующие тер­мопары (см. рис. 1). В отличие от холмистых поверх­ностей на плоских равнинах только таким образом создаются условия для возникновения электрического поля. Холодные ледяные блоки (прямоугольники, шестиугольники) разделены торфянистыми полосками. Эти полосы-перегородки выполняют роль мембран, ко­торые охраняются «демонами Максвелла» и через которые осуществляется избирательный перенос веще­ства и энергии из одной почвенной ячейки в другую. Холодные ледяные блоки при периодическом таянии питают разделяющие их торфянистые почвы энергией, поэтому на последних могут произрастать сельскохо­зяйственные культуры. Местные жители умело исполь­зуют это явление в практических целях. Специфика электронов и силовых линий электро­магнитных полей будет зависеть от состава горных по­род, характера почвообразования, что в общем отража­ется на формах элементов различных уровней органи­зации: от субмолекулярных до многокилометровых. Каждую элементарную клетку почвенного покрова (см. рис. 1) можно представить в виде сложной элек­тромеханической системы, центр управления которой расположен в самой клетке. Элементы этого почвенно­го механизма управления — атомы и молекулы, сами создающие электромагнитные волны, упорядоченно мигрируют под влиянием электрических полей; послед­ние возникают и регулируются под воздействием вер­тикальных и горизонтальных потоков влаги и тепла, а также жизнедеятельности организмов.

comments powered by HyperComments