ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2009, том 70, № 2, с. 121-142
УДК 574.46:47 575.83
ТЕРМОДИНАМИКА БИОГЕОЦЕНОЗОВ НА ОСНОВЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ
© 2009 г. Р. Б. Сандлерский, Ю. Г. Пузаченко
Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский просп., 33 e-mail: srobert_landy@mail.ru, puzak@orc.ru Поступила в редакцию 01.10.2007 г.
Решены методические задачи применения данных дистанционного зондирования для исследования пространственно-временного варьирования преобразования энергии в биогеоценозах на основе информационно-термодинамического подхода на примере южно-таежного ландшафта Валдайской возвышенности. Продемонстрирована возможность оценки основных составляющих энергетического баланса биогеоценоза (эвапотранспирация, продукционный процесс, тепловое рассеяние, аккумуляция) как открытой термодинамической системы, осуществляющей работу по поддержанию своей структуры за счет преобразования солнечной энергии. Анализ соотношений термодинамических переменных для различных типов биогеоценозов показывает, что поток энергии, поглощенный поверхностью, перераспределяется по составляющим баланса с различными механизмами и это перераспределение зависит от структуры системы, выраженной через неравновесность. Неравновесность преобразования солнечной энергии определяет в первую очередь затраты энергии на синтез биологической продукции и мало влияет на эксергию солнечной радиации - затраты энергии на испарение. Оценена инвариантность преобразования энергии ландшафтом в целом и обобщенными типами биогеоценозов. Способность к поддержанию инвариантов поглощенной энергии, эк-сергии и температуры в таежном ландшафте образует закономерный ряд, повторяющий сукцесси-онный: луга - вывалы - лиственные леса - хвойные леса; наименьшей саморегуляцией обладают антропогенные объекты. Верховые болота в отличие от лесов, осуществляющих транспорт влаги из почвы в атмосферу, удерживают высокий прогрев территории и консервируют атмосферные осадки в подземном стоке, сохраняя при этом уровень биологической продукции, сопоставимый с хвойными лесами. Оценена климаторегулирующая роль лесной растительности - показано, что отсутствие леса повышает температуру поверхности на 4°С.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Функция живого вещества в биосфере - превращение космической, прежде всего солнечной, энергии в "действенную земную энергию" - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д. (Вернадский, 2004). Солнечное излучение активизирует живое вещество, переводя его в состояние принципиально иное относительно косного вещества. В этом особом состоянии живое вещество способно концентрировать и перераспределять в биосфере энергию и превращать ее в энергию, "в земной среде свободную, способную производить работу" (Вернадский, 2004, с. 37). Превращение солнечной энергии происходит в первичном термодинамическом поле биосферы. Живое вещество создает собственное автономное термодинамическое поле, характеризующееся иными параметрами, чем поле биосферы. "Вводя в физико-химические процессы земной коры световую солнечную энергию, живые организмы, однако, по существу и резко отличаются от остальных независимых переменных биосферы. Подобно им, живые организмы меняют ход ее равновесий, но в отличие от них
представляют особые автономные образования, как бы особые вторичные системы динамических равновесий, в первичном термодинамическом поле биосферы" (там же, с. 111). При преобразовании солнечной энергии в поле живого вещества образуются особые, характерные только для него химические соединения. В термодинамическом поле биосферы эти соединения неустойчивы и, разрушаясь, отдают свою энергию биосфере. Таким образом, при переходе из термодинамического поля живого вещества в поле косной среды вещество становится источником свободной энергии, нарушая тем самым ее равновесие. Идеи В.И. Вернадского о живом веществе как о термодинамических системах получили свое развитие в работе Г.Ф. Хильми "Основы физики биосферы" (1966), сформулировавшим основные закономерности термодинамики для систем с участием живого вещества. В рамках этого подхода экосистема рассматривается как термодинамическая система, состоящая из множества специализированных систем и форм преобразования энергии, и соответственно параметры преобразования энергии определяются ее структурной организацией.
Во второй половине XX в. в термодинамику было введено понятие эксергии ("exergy"; Rant, 1956). "Эксергия - это максимальная полезная работа, которую можно получить при контакте рабочего тела или источника энергии с природной окружающей средой при достижении равновесия с ней" (Шаргут, Петела, 1968, с. 13). Эксергия, как и энергия, измеряется в джоулях, часто ее выражают через мощность (ватт). Величина эксергии определяется степенью неравновесности системы, преобразующей энергию, и ее структурой - именно это свойство делает применение концепции эксергии в термодинамике живого вещества весьма конструктивным. В конце XX в. понятие эксергии вошло в экологию (Jorgensen, Mejer, 1982; Kay, Schneider, 1992; Kay, Fraser, 2001; Jorgensen, Svirezhev, 2004). Сформировалось новое направление исследований, получившее название "эксергический анализ систем". В настоящее время эксергия используется для описания широкого класса систем: от механических до экологических, социальных и экономических (Бродянский, Бандура, 1996; Wall, Gong, 2001; Wall, 2002). В экономике существует так называемое экологическое направление, акцентированное на увеличение эффективности использования природных ресурсов при снижении их потребления; в его рамках на основе эксергического анализа рассчитывают стоимость природных ресурсов, труда, эксергетический потенциал различных источников энергии (Бродянский, Бандура, 1996; Patterson, 2002). В ряде работ эксергия используется как индикатор состояния среды, особенно при антропогенном воздействии (Ho, Ulanow-icz, 2005; Wagendorp et al., 2006).
В целом глобальные потоки эксергии соответствуют основным потокам энергии (Wall, Gong, 2001). В соответствии с представлениями термодинамики вся энергия, поступающая в экосистему, расходуется на полезную работу: на создание продукции, испарение влаги, тепловое рассеивание (можно говорить о поддержании температуры среды), поддержание и накопление внутренней энергии. Часть поступающей энергии, которая способна совершать полезную работу по поддержанию системы в неравновесном состоянии с низкой энтропией, есть эксергия. "Полезная" работа экосистемы проявляется в поддержании и интенсификации круговорота воды в биосфере и обеспечении биопродукционного процесса. Остальная часть поглощенной энергии расходуется на приращение внутренней энергии системы. В классической термодинамике внутренняя энергия связывается с движением молекул (теплообмен) и химическими связями (внутренняя энергия). В экосистеме внутреннюю энергию можно связывать со взаимодействиями особей разных видов и частей системы, с поддержанием ее внутренней структуры, с аккумуляцией энергии внутри системы в частично замкнутых циклах обмена. По-видимому, внутрен-
нюю энергию в экосистеме можно связывать и с почвообразовательными процессами, в частности с накоплением углерода в почве и с поддержанием его содержания на некотором равновесном уровне. В процессе преобразования эксергия переходит в энергию, не способную совершать полезную работу, - связанную энергию (тепловую энергию с высокой энтропией) и выводится из экосистемы .о^ешеп, 8у1ге7Иеу, 2004). Таким образом, поддержание организации (порядка) в экосистеме обусловлено рассеиванием энтропии в среду в процессе преобразования энергии.
Эксергия экосистемы - термодинамическая переменная, которая отражает связь между структурой и преобразованием ею энергии и наряду с другими термодинамическими переменными позволяет оценить особенности функционирования системы как результат ее строения. Оценка эксергии и теплового потока деятельной поверхности (температура) дает достаточно полное представление о преобразовании энергии, а разность поглощенной энергии и эксергии отражает изменение внутренней энергии. Эксергия системы тем выше, чем далее она удалена от области равновесного состояния с локальным максимумом энтропии. Это расстояние и соответственно степень ее неравновесности могут быть оценены по разности соответствующих энтропий и более точно по энтропии Кульбака, отражающей приращение информации или порядка в неравновесной системе относительно равновесной. Структура, порядок или информация поддерживают систему в стационарном неравновесном состоянии с локальным минимумом производства энтропии и определяют ее способность производить полезную работу. В ходе эволюции система отклоняется от стационарного состояния в область большей неравновесности с меньшей энтропией и возвращается к нему по различным траекториям (Климонтович, 2007). Масштаб этих преобразований при анализе динамики системы описывается также энтропией Кульбака, показателем Ляпунова или энтропией Колмогорова - Синая. Если система получает то необходимое количество информации, определяющей ее новую структуру, которое позволяет ей перейти в новую область локальной стационарности, то она устойчиво существует в этой области с новым уровнем производства полезной работы.
В экологии и биологии представления об эксергии существенно расширяют область применения идей современной нелинейной термодинамики. Их развитию, в частности, посвящена монография Йоргенсона и Свирежева .о^ешеп, 8у1ге7Йеу, 2004). Проведя полный анализ приложений идей термодинамики в экологии и опираясь на обширный эмпирический материал, авторы развивают "предварительный четвертый закон термодинамики": суть его сводится к тому, что поддержание состояния живого вещества и связанных с ним экоси-
стем в неравновесном стационарном состоянии определяется потоком эксергии. Четвертый закон термодинамики предложен для того, чтобы объяснить рост и развитие в экологических системах. При этом рост трактуется как увеличение системы в размерах, а развитие - как увеличение организации или порядка системы.
Возможны три пути рос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.