Невозмутимый строй во всем,
Созвучье полное в природе, —
Лишь в нашей призрачной свободе
Разлад мы с нею сознаем.
Откуда, как разлад возник?
Ф. Тютчев
До последнего времени биосфера чаще всего рассматривалась либо обособленно, либо в качестве подсистемы в системе океан — суша — атмосфера (ОСА). Система ОСА, как известно, в основном формирует состояние атмосферной погоды.
Атмосферная погода — физическое состояние системы ОСА в каждом месте в каждом интервале времени.
Климат — усредненное на достаточно большом временном интервале (например, десятки лет) состояние погоды. Естественно, что процессы в системе ОСА, как и вариации атмосферной погоды, влияют на биосферу и человека в частности.
Известно, что биосфера — объект не только земной, но и космический в том смысле, что она испытывает на себе влияние космических факторов — гравитации, процессов на Солнце, метеоров, потоков галактических лучей и т.д. Иначе говоря, биосфера в качестве подсистемы входит в систему Космос — Земля.
Космические факторы формируют состояние космической погоды.
Космическая погода — физическое состояние геокосмоса (т.е. верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы) в каждом месте в каждом интервале времени.
Международным сообществом принято следующее определение: космическая погода — это физическое и феноменологическое состояние природного космического окружения.
Космический климат — усредненное на достаточно большом временном интервале (например, десять циклов солнечной активности, около 110 лет) состояние космической погоды.
Целью исследования космической погоды и космического климата является понимание и предвидение состояния Солнца или других внешних источников с помощью наблюдений, мониторинга, анализа и моделирования, а также определение фактического состояния и прогнозирования возможного влияния на биологические и технические системы.
В последнее время появились основания утверждать, что обе погодные системы связаны между собой. Это означает, что на биосферу совместно (синергетически) воздействуют вариации как атмосферной, так и космической погоды.
Каналы воздействия системы ОСА на биосферу изучены недостаточно, хотя сам факт воздействия (в частности, метеочувствительность человека) известен давно. Еще хуже дело обстоит со знанием механизмов влияния вариаций космической погоды на биосферу (человека). Факт же воздействия этих вариаций обсуждается с XIX века.
Высказывания о влиянии космоса на биосферу встречаются, например, в работах В.И. Вернадского — создателя учений о биосфере и ноосфере.
Опираясь на результаты исследований своих предшественников, А.Л. Чижевский — основоположник гелиобиологии — впервые научно обосновал гипотезу о том, что значительное число солнечных и земных процессов — синхронны. Он был убежден в том, что «жизнь должна считаться явлением космическим, работою космических сил». В монографии «Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность Солнца», изданной в 1930 г., он писал: «Еще в глубокой древности было замечено, что выпадают эпохи, когда ничто не нарушает мирного течения жизни, чему способствует не только человек, но и сама природа. Но бывают времена, когда и мир природы, и мир человеческий приходят в волнение: стихийные катастрофы, наводнения или засухи, землетрясения или извержения вулканов, массовые налеты вредных насекомых, повальные болезни среди животных и людей, войны и междуусобицы потрясают целые страны. В такие времена пытливому взору наблюдателя представляется несомненным существование связи между организмом и окружающей его средой. Эта мысль о связи живых организмов и внешней природы проходит красной нитью по всему огромному историческому опыту человечества».
Создавая свое учение, А.Л. Чижевский основывался на многих известных к тому времени фактах связи солнечной активности с частотой магнитных бурь (Ламонт, 1850 г.), частотой полярных сияний (Фритц, 1863 г.), частотой гроз (Зенгер, 1887 г.), температурой воздуха и воды (Гаутьер, 1844 г.), частотой бурь, ураганов, смерчей и количеством осадков (Мелдрун, 1872 г.), землетрясениями (Малле, 1858 г.), количеством вырабатываемого вина (Сарториус, 1878 г.), толщиной годовых колец деревьев (Шведов, 1892 г.), размножением и миграцией насекомых (Кеппеи, 1870 г.), величиной улова рыб (Нансен, 1909 г.), частотой внезапных смертей (Киндлиманн, 1910 г.) и другими явлениями. Многие интересные процессы, иллюстрирующие учение А.Л. Чижевского, описаны в его замечательной книге «Земное эхо солнечных бурь».
А.Л. Чижевский был убежден в следующем:
Мы дети Космоса. И наш родимый дом
Так спаян общностью и неразрывно прочен,
Что чувствуем себя мы слитыми в одном,
Что в каждой точке мир — весь мир сосредоточен.
И жизнь — повсюду жизнь в материи самой,
В глубинах вещества от края и до края
Торжественно течет в борьбе с великой тьмой,
Страдает и горит, нигде не умолкая.
Во второй половине ХХ века учение А.Л. Чижевского получило существенное развитие. Стало ясно, что на земные процессы могут значительно влиять вспышка сверхновой звезды в окрестности Солнечной системы, падение крупного метеорита и астероида, столкновение с кометой, прохождение Солнечной системы через галактическое облако молекулярного водорода и другие факторы. Благодаря этому гелиобиология по существу превратилась в космическую биологию.
Возможные влияния вариаций атмосферной и космической погоды, воздействие физических полей на биосферу изучались многими специалистами. Установлено, что указанные вариации существенно влияют на поведение биосферы, самочувствие и здоровье человека и, по-видимому, на социальные процессы. Из-за сложности процессов, многофакторности и синергетичности воздействий в системе Космос — Земля сами каналы влияния вариаций атмосферной и космической погоды изучены недостаточно.
В работах, посвященных этой тематике, отсутствовал системный взгляд на изучаемую проблему. Для выявления механизмов и каналов воздействия вариаций атмосферной и космической погоды необходим системный подход к системе Космос — Земля в целом, к системе Солнце — межпланетная среда — магнитосфера — ионосфера — атмосфера — Земля (Солнце — МСМИА — Земля) и, в частности, включение в эту систему биосферы и человека в качестве подсистемы.
Ниже изложены основы системного подхода к системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера, обсуждаются причины вариаций космической и атмосферной погоды, а также каналов воздействия этих вариаций на биосферу (человека).
ПРИМЕРЫ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ
Приведем несколько примеров, свидетельствующих об «уязвимости» современной цивилизации к процессам, сопутствующим геокосмическим бурям. Геокосмическая буря (ГБ) — термин, введенный автором на рубеже 1980-1990-х гг., для обозначения синергетически взаимодействующих бурь в магнитном поле, ионосфере, атмосфере и электрическом поле магнитосферно-ионосферно-атмосферного происхождения.
1. 24 марта 1940 г. сильнейшая ГБ стала причиной выхода из строя примерно 80% всех магистральных телефонных сетей в Миннеаполисе (штат Миннесота, США), нарушения электроснабжения целых районов в штатах Новая Англия, Нью-Йорк, Миннесота, Пенсильвания, Квебек и Онтарио.
2. 9-10 февраля 1958 г. ГБ вызвала нарушения работы телеграфной сети, сделала проблематичной трансатлантическую кабельную связь между Ньюфаундлендом и Шотландией, прервалась связь в Торонто (Канада).
3. 4 августа 1972 г. крайне сильная ГБ вызвала прекращение связи по кабелю между городами Плано и Каскад (США). Также вышел из строя мощный трансформатор на гидроэлектростанции в штате Британская Колумбия (США).
4. Сильная ГБ привела к непредвиденно быстрому торможению в атмосфере и падению 11 июля 1979 г. космической лаборатории Skylab
5. 13-14 марта 1989 г. сильнейшая ГБ стала причиной выхода из строя системы электроснабжения в Квебеке (Канада) мощностью в 20 ГВт. Электроэнергии лишились около 3 млн человек. Прервалась связь в декаметровом диапазоне радиоволн. В метровом диапазоне, напротив, резко увеличилась дальность распространения радиоволн, что существенно ухудшило помеховую обстановку. Орбита ряда ИСЗ уменьшилась на 3…7 км.
6. В течение ГБ, имевшей место в конце октября — начале ноября 2003 г., произошли аварии в энергосистеме г. Мальмо (Швеция), в штатах Нью-Йорк и Висконсин (США), нарушение функционирования систем телекоммуникаций и GPS-навигации, выход из строя многих ИСЗ разных стран (потеря связи, выход из строя телеметрии, отключение компьютеров и т. п.).
Из приведенных примеров видно, что ГБ — источник технологических катастроф.
ОСНОВЫ СИСТЕМНОЙ ПАРАДИГМЫ
Как известно, парадигма — совокупность исходных положений данной науки. Элементы системного подхода к системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера разрабатывались многими специалистами из различных областей науки. Определенный итог подведен в целом ряде работ автора.
Основные положения системной парадигмы сформулированы нами в 1980-х гг. Они сводятся к следующему.
1. Вариации атмосферной и космической погоды могут быть адекватно описаны в рамках системного подхода. Объектом исследования служит система Солнце — МСМИА — Земля.
2. Система Солнце — МСМИА — Земля обладает свойствами иерархии (многоуровневостью). В систему в качестве подсистемы входит биосфера (человек), образуя систему Солнце — МСМИА — Земля — биосфера.
3. Между подсистемами системы Солнце — МСМИА — Земля — биосфера имеют место прямые и обратные, положительные и отрицательные связи, порождая большое разнообразие процессов и явлений.
4. Солнце — МСМИА — Земля — биосфера — открытая система. В нее поступают излучение, вещество, энергия и энтропия как «сверху», так и «снизу». (Как известно, энтропия — мера неупорядоченности, хаоса.)
5. Солнце — МСМИА — Земля — биосфера — динамическая система, эволюционирующая во времени.
6. Солнце — МСМИА — Земля — биосфера — нелинейная система. Таким системам присущи совершенно нетривиальные свойства.
7. В системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера возможны усложнение, самоорганизация и саморазвитие за счет использования внешних источников энергии, излучения, массы и т. д.
Открытые динамические нелинейные системы, находящиеся в метастабильном (не вполне устойчивом) состоянии, сверхчувствительны к воздействию слабых внешних возмущений и флуктуаций. В подобных системах возможны неустойчивости, бифуркации (многовариантность эволюции), самоорганизация, перемежаемость квазидетерминированных и хаотических режимов, триггерные процессы и т. п.
Схематическое строение системы, формирующей вариации атмосферной и космической погоды, показано на рис. 1.
ПРИЧИНЫ ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
Вариации космической погоды в основном формируются нестационарными процессами на Солнце, в меньшей степени потоками галактических лучей, метеоров, падениями крупных космических тел, а также мощными земными, атмосферными, океаническими и антропогенными процессами.
Рассмотрим и сравним энергетику естественных (табл. 1) и антропогенных (табл. 2) процессов. Из таблиц видно, что энергии и мощности ряда естественных и антропогенных процессов могут быть сопоставимы. Это означает, что антропогенные процессы могут давать заметный вклад в формирование вариаций атмосферной и космической погоды, а отчасти и климата.
Рассмотрим и сравним потоки энергии «сверху» (табл. 3) и «снизу» (табл. 4). Как и следовало ожидать, потоки энергии в виде оптического излучения Солнца являются главными. Другие потоки энергии «сверху» и «снизу» могут быть сопоставимы между собой, что свидетельствует о влиянии и тех, и других на вариации атмосферной и космической погоды, о взаимодействии двух погодных систем.
Взаимодействие между подсистемами в системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера осуществляется, прежде всего, при помощи потоков энергии и вещества. Важными переносчиками энергии и вещества являются волны различной физической природы, потоки тепла и частиц, включая высыпающиеся высокоэнергичные частицы.
СОЛНЕЧНЫЕ БУРИ — ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
Главной причиной вариаций космической погоды, а отчасти и вариаций атмосферной погоды являются нестационарные процессы на Солнце. К ним относятся вспышки электромагнитного и корпускулярного излучений, выбросы массы из короны Солнца (выбросы корональной массы), воздействие ударной волны в солнечном ветре, бомбардировка магнитосферы плазменными и магнитными облаками солнечного происхождения.
Схема взаимодействия подсистем при возмущениях на Солнце показана на рис. 2. Из рисунка, в частности, видно влияние вариаций потока солнечного ветра (солнечной активности) на проявление солнечно-погодных связей (взаимодействие двух погодных систем). Промежуточным звеном служит модуляция потоков галактических космических лучей.
Нестационарные процессы на Солнце и прежде всего выбросы корональной массы вызывают геокосмические бури.
Энергетические характеристики геокосмической бури приведены в табл. 5. Из табл. 5 видно, что в процессе бури больше всего изменяется энергия электрического поля во всех внешних оболочках Земли. Существенно также варьируется тепловая энергия ионосферы. Магнитные возмущения обычно невелики, но их роль может быть значительной.
КОСМИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
Другими, менее интенсивными или более редкими, причинами вариаций атмосферной и космической погоды космического происхождения являются метеорные потоки и падения достаточно крупных космических тел.
Метеорные потоки привносят в систему вещество из космоса, формируют в ионосфере пылевую плазму, нагревают верхнюю атмосферу, создают дополнительную ионизацию и, что особенно важно для биосферы, являются источниками инфразвуковых волн.
Падения крупных космических тел способны изменить не только космическую погоду, но и существенно повлиять на космический климат, вызвать эффект «астероидной зимы», кардинально модифицировать биосферу и даже ее уничтожить. Подобные катаклизмы в истории Земли были. К счастью, чем больше размер космического тела, тем реже такие тела сталкиваются с Землей. Например, тела, подобные Тунгусскому, падают на Землю один раз в 300…1000 лет, а подобные Челябинскому — 1 раз в 50…80 лет.
Падения крупных космических тел сопровождаются генерацией возмущений электрического, магнитного, электромагнитного и инфразвукового полей, существенно воздействующих на биосферу (человека).
(Продолжение следует)
Статья была опубликована в июньском номере журнала "Наука и техника" за 2014 год
