Естествознание и динамизм окружающего мира

Рисунок 2. Схема вечного двигателя с дополнительной несимметрией за счет выталкивающей силы

Третий уровень —  разработка принципиально новых  схем для получения вечного движения. На рисунке 3 показана страница из записной книжки Леонардо, датируемой 1487 годом, — здесь предложены модификации вечного двигателя с винтом Архимеда. Предполагалось, что вода будет подниматься первым винтом малого диаметра на некоторую высоту, сливаться в чашу, а затем возвращаться по второму винту (или вращая колесо, как показано на нижней схеме слева) на исходный уровень. Существенной особенностью этих модификаций двигателя является больший радиус возвращающего воду винта (что действительно должно было создать больший вращающий момент, чем на первом колесе, но отнюдь не большую работу за цикл). Комментарий к чертежу — «вода по винту... возвращается на первый винт и повторяет этот процесс неограниченно долго» — свидетельствует, что в то время Леонардо не сомневался в возможности осуществления вечного двигателя.

Рисунок 3. Схемы вечного двигателя на основе винта Архимеда

Четвертый уровень —  анализ распределения нагрузок в  схеме «вечного колеса». Многочисленные неудачи в попытках получения вечного движения, несмотря на различные способы усовершенствования схемы, заставили Леонардо да Винчи остановиться и попытаться найти причину неудач. Трудность решения такой задачи современному читателю станет более ясной, если напомнить, что на рубеже XIV - XV веков еще даже не было таких физических понятий, как работа и энергия. И все же Леонардо смог показать, почему не может работать наиболее популярный вечный двигатель в виде колеса с несимметричным распределением грузов. В его записных книжках сохранились рисунки, свидетельствующие, что для анализа поведения колеса при повороте Леонардо внимательно изучил, как изменяется причина вращения - несимметрия распределения грузов относительно оси (т.е. вращающий момент) в более простых для анализа системах из небольшого числа грузов для разных вариантов колеса. В таких упрощенных схемах ученый смог заметить, что определяющим является не избыток числа грузов с одной стороны относительно оси, а их расстояние до оси, т.е. положение центра масс.

На рисунке 4 представлен знаменитый чертеж колеса с вычислениями положения  центра масс. Здесь показано, что  горизонтальная координата центра масс системы грузов совпадает с положением оси (справа от оси центр масс 4 грузов находится на расстоянии 7 интервалов, слева — центр масс 7 грузов на расстоянии 4 интервалов от оси). Следовательно, вместо ожидавшегося perpetuum mobile схема представляет собойperpetuum stabile.

Рисунок 4. Расчет положения центра масс колеса с откидывающимися грузами

Пятый уровень — заключение о невозможности вечного двигателя. Итак, Леонардо да Винчи в течение нескольких лет пытался создать непрерывно работающий двигатель, проводя существенные улучшения известных конструкций и изобретая принципиально новые схемы. Затем он детально разобрался во внутренних причинах, запрещающих работу наиболее типичного двигателя в форме колеса с откидывающимися грузами (возможно также и с некоторыми другими схемами с использованием воды). И вот теперь он, не считая более необходимым детально разбираться в причинах, мешающих работе других двигателей, формулирует в жесткой форме заключение о невозможности реализации непрерывного движения в схеме любого типа, т.е. впервые формулирует принцип невозможности создания вечного двигателя:

«Я пришел к выводу о  невозможности нахождения непрерывного движения, а также вечного колеса. Поиск конструкции вечного колеса — источника вечного движения — можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили много времени  и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что с искателями золота <алхимиками>: всегда находилась какая-либо мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая  работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей  и правителей, не выполнив обещания».

Далее следует довольно пространное  упоминание о, по-видимому, хорошо известном  в то время скандале, связанном  с попыткой построить в Венеции  установку, работающую на неподвижной  воде. В комментарии по тому же поводу, написанном позднее сбоку мелким почерком, вода названа дословно «спокойной, на уровне моря». В основном тексте и в других местах Леонардо употребляет образный термин «мертвая вода» («aqua morta»).

Запись о неработающем двигателе  на «мертвой воде» неупомянутой схемы (поскольку теперь уже для Леонардо это не имеет значения) есть свидетельство его убежденности в общности сделанного вывода.

«Какая-либо мелочь (!)» — этими словами Леонардо да Винчи декларирует, что в любой известной схеме вечного двигателя и в любой схеме, которая может быть предложена в будущем, существуют некоторые внутренне присущие эффекты, накладывающие вето на вечный двигатель. На современном языке физики слова «какая-либо мелочь» могут означать разные виды неучтенных потерь или превращений энергии — таких, как тепловая энергия (нагревание, плавление, испарение), возбуждение механических и электромагнитных волн и т.п. вплоть до излучения нейтрино в ядерных процессах.

5. Парниковый эффект  и угроза глобального потепления  климата.

Еще в XIX веке ученые узнали, что двуокись углерода задерживает  тепло от солнца в атмосфере, и  это оказывает влияние на температуру  поверхности Земли. С началом  промышленной революции и научно-технического прогресса возрастает всемирное  потребление различных видов  топлива, что соответственно увеличивает  концентрацию двуокиси углерода в атмосфере. Однако на протяжении многих лет ученые не принимали во внимание данную проблему, так как предполагалось, что "излишки" СО2 в атмосфере поглощаются мировым  океаном. В 1957-1958 гг. в Международный  геофизический год ученые решили проверить данное предположение  с помощью проведения ряда исследований на вершине Гавайского вулкана Мауна Лоа. Данные с Мауна Лоа показали, что концентрация двуокиси углерода равномерно повышается. В связи с политической нестабильностью в мире в годы Холодной войны, вплоть до середины 80-х гг. международное сотрудничество по сокращению выбросов парниковых газов было неосуществимо. Мероприятия по природоохранной политике большинства стран мира не выходили за рамки национального уровня. Однако позиции государств стали меняться благодаря огромным усилиям ученых многих странах по проблеме озонового кризиса, когда в 1987 году в Монреале был подписан протокол об ограничениях, а в итоге, и запрещении выбросов, связанных с производством ХФУ. Успех Монреальского Протокола продвинул перспективы подобного международного сотрудничества по другим глобальным природоохранным проблемам. 

Когда один из выдающихся ученых-климотологов Соединенных Штатов Джеймс Хансен (James Hansen) из NASA (Национальное агентство  по аэронавтике и космическому пространству), заявил в 1988 г. Конгрессу, что "с высокой  степенью достоверности потепление (увеличение средней глобальной температуры  приблизительно на полградуса в этом столетии) можно связать с антропогенным  парниковым эффектом", он вызвал бурю критики. "Наступило время прекратить так много болтать попусту  и признать, что доказательства того, что парниковый эффект ощущается  уже сейчас, являются довольно убедительными", - сказал он в интервью одному из журналиcтов New York Times. Таким образом, показания  Хансена произвели необычайный  политический эффект и заставили  многих ученых и политиков в мире обратить большее внимание на данную проблему. Многие климатологи не были согласны с ним в то время и  считали, что недавние жаркие годы были нормальным отклонением от среднего. Однако данные, подтверждающие мнение Хансена, продолжают накапливаться. И  в 1989 году А. Стронг (A. Strong) из Национального  управления по исследованиям атмосферы  и океана доложил: "Измерения температуры  океанической поверхности, произведенные  спутником в период 1982-1988 г.г.,... показывают, что мировой океан постепенно, но заметно нагревается примерно на 0,10 С в год". Позже некоторые  ученые согласились с Хансеном в  том, что физические проявления антропогенного парникового эффекта уже не вызывают соменений. Ричард Хоутон (Richard Houghton) и  Джордж Вудуэлл (George Woodwell) утверждали: "Жара и засуха, которые затронули  Северную Америку и другие регионы  Земли в последние годы, согласуются  с предсказаниями возможности глобального  потепления. Имеются и другие признаки нарастающего потепления". Они ссылались  на сообщения об увеличении расстояния до зоны вечной мерзлоты в Аляске и  Канадской Арктике, о возрастании  средней температуры озер в Канаде, об уменьшении годовой максимальной протяженности ледникового покрова  в Антарктиде и Арктике, а также  об убывании количества айсбергов в  Европе и других районах. Необычные климатические явления в последние годы - ураган Хьюго, наводнения в Африке и в Юго-Восточной Азии, бури в Европе - породили предположение, что это "сигнал" нарастающего парникового эффекта. По словам бывшего директора Национального центра атмосферных исследований США доктора Уолтера Робертса (Источник: Robert, Walter Orr, "It is Time to Prepare for Global Climate Changes", Conservation Foundation Letter, April 1983), "Пыльный котел в США в середине 1930-х годов был величайшим климатическим бедствием в истории нашего государства... Однако он может показаться детской забавой по сравнению с пыльным котлом 2040-х годов. В результате потепления... естественные осадки могут сократиться на 40%, летом станет жарче, испарение с поверхности земли увеличится, почвы пересохнут, а ветра поднимут их к небесам..." 

В декабре 1988 года, пересмотрев  стратегию по политике климатических  изменений, Генеральная Ассамблея  ООН одобрила создание Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change). И в 1989 году на ежегодной встрече, главы семи крупных демократических держав признали необходимость принятия всемирной  конвенции по глобальным климатическим  изменениям в целях уменьшения выбросов антропогенных парниковых газов. Люди тысячелетиями стремились воздействовать на окружающую среду. А сейчас мы внезапно оказались на пороге крупнейшего  изменения климата, вызванного деятельностью  человека. К сожалению, эти изменения  климата являются незапланированными, возможно неуправляемыми и могут  привести к катастрофическим последствиям. Климат на Земле определяется сложными взаимодействиями между атмосферой, мировым океаном, ледяными шапками  на полюсах, животными, растениями и  осадочными породами. Ученые говорят  о "климатической системе" имея в виду все природные факторы, взаимодействие которых формирует  климат. В состав ее входит, по крайне мере, четыре основных компонента: атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера. Когда климатическая система  находится в равновесии, как это  было до технической революции, поглощенная  солнечная радиация уравновешивается поверхностным излучением Земли  и атмосферы. Антропогенные факторы, вызывающие аккумуляцию солнечной  энергии, влияют на тепловой баланс, тем  самым изменяя климат. К факторам, активно влияющим на баланс солнечной  энергии, относятся техногенные  газы, которые мы называем парниковыми. Парниковые газы - это газы, создающие  в атмосфере экран, задерживающий  инфракрасное излучение, которые в  результате нагревают поверхность  Земли и нижний слой атмосферы. Эти  газы присутствовали в атмосфере  в незначительном количестве почти  на всем протяжении истории Земли. Наиболее значительным природным парниковым газом, благодаря своему обилию, являются пары воды. Следующий в этом ряду парниковый газ - двуокись углерода (CO2) - попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путем. На протяжении всей истории Земли он поступал в атмосферу в результате вулканической деятельности и его баланс поддерживался биотой за счет естественного круговорота в природе. В отсутствие CO2 температура поверхности Земли была бы примерно на 33 градуса по Цельсию ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия для жизни животных и растений. Известно, как менялся химический состав атмосферы за последние 160 тысяч лет. Эти сведения были получены на основе анализа пузырьков воздуха в ледниковых кернах, извлеченных с глубины до 2 километров на станции "Восток" в Антарктиде и в Гренландии. Было обнаружено, что в теплые периоды концентрация СО2 и СН4 были примерно в 1,5 раз выше, чем в холодные ледниковые периоды. Эти результаты подтверждают высказанное в 1861 году Дж. Тиндалем предположение о том, что историю изменения климата Земли можно объяснить изменениями концентрации углекислого газа в атмосфере. 

Солнечная радиация достигает  Земли, часть ее отражается. Большая  часть проникает сквозь атмосферу  и нагревает поверхность Земли. Землей испускается невидимое инфракрасное (ИК) излучение , в результате чего Земля  охлаждается. Однако часть этого  ИК-излучения поглощается парниковыми  газами в атмосфере и таким  образом удерживает тепло. 

Увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере происходит не только естественным путем, а также  в результате человеческой деятельности, главным образом за счет сжигания ископаемого топлива и сокращения лесных массивов. Следовательно, необходимо делать различия между естественным парниковым эффектом и созданным  человеком (или антропогенным) усиленным  парниковым эффектом (или глобальным потеплением). Естественный парниковый эффект поддерживает атмосферу Земли  в состоянии теплового баланса, благоприятного для существования  животных и растений. Биота же и  является естественным регулятором  температуры, поскольку может испускать  или поглощать СО2 благодаря сложному механизму обратных связей, который  формировался и "настраивался" в  течение миллионов лет. Антропогенный  парниковый эффект, наоборот, нарушает сложившийся тепловой баланс в системе  атмосфера-гидросфера-литосфера, и  может привести поэтому к катастрафическому  повышению температуры Земли. Причиной антропогенного парникового эффекта  является увеличение содержания в атмосфере  углекислого газа . Это приведет к потеплению климата, а значит, к  увеличению таяния ледников и повышению  уровня моря, а также к резкому  изменению погодных условий во всем мире. 

Парниковый эффект 

Автомобиль или парник нагреваются на солнце, так как  световая энергия, проникающая внутрь через стекло, поглощается и превращается в тепловую, не проходящее через  стекло. Когда тепло таким образом  улавливается, температура поднимается. Аналогично нагревается атмосфера  Земли: свет сквозь нее проникает, а  инфракрасное излучение поглощается  парниковыми газами, которые играют роль "одеяла" удерживающего тепло. К примеру, температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03%. Увеличивая эту концентрацию, - мы увеличиваем  тенденцию к потеплению климата. Таким образом, чем выше концентрация парниковых газов, тем чувствительнее парниковый эффект. 

Парниковые газы составляют около 0,1% всей атмосферы, основные составляющие которой являются азот - 78% и кислород - 21%. Основными парниковыми газами, усиливающие антропогенные изменения  в атмосфере, являются двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), хлорфторуглероды (ХФУ). Леса на нашей планете, занимающие около 28 процентов суши, и мировой  океан, занимающий 70 процентов всей поверхности Земли, могут влиять на глобальный углеродный цикл , содержание СО2 в атмосфере и климат. По мере роста леса поглощают углекислый газ из атмосферы и накапливают  его в фитомассе и лесном гумусе. По оценкам Всемирного фонда живой  природы (World Wildlife Fund) на леса приходится 80 процентов углерода, содержащегося  в растительности, и 40 процентов - от общего содержания в почве. Ученые оценивают, что каждый год 1.6+1.0 миллиарда тонн выбросов углерода в атмосферу не поглощаются за счет уничтожения  лесов и изменения способов землепользования. В мировом океане концентрация углекислого  газа на глубине в несколько раз  выше, чем у поверхности. Это связано  с тем, что запас растворенного  в воде неорганического углерода в виде бикарбонатных ионов, находящихся  в равновесии с СО2, почти на два  порядка больше, чем в атмосфере. Если жизнь в океане прекратится, концентрация неорганического углерода на глубине и у поверхности  уравняются, и это приведет к многократному  увеличению концентрации СО2 в атмосфере. Следовательно, биота океана регулирует атмосферную концентрацию СО2 и тем  самым сохраняет приземную температуру  в оптимальных для жизни пределах. Ряд ученых-климатологов полагают, что мировой океан имеет огромный потенциал поглощения СО2, при повышении  температуры воды способность поглощения углерода океаном увеличивается. Таким  образом, мы можем предположить, что  мировой океан, возможно, сыграет  стабилизирующую роль в балансе  углекислого газа при глобальном потеплении.