Манаков

Николай

Александрович

- доктор физико-математических наук,

член-корреспондент Международной академии наук

педагогического

образования,

проректор по

научной работе Бийского государственного педагогического института.

Автор более 200

научных работ в области физики магнитных материалов.

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ



Благодаря деятельности "Римского клуба" в семидесятые годы развернулось движение, которое лучше всего назвать "всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды". В известном докладе "Римского клуба" "Пределы роста" (1972) сделан вывод, что сохранение современной тенденции развития приведет человечество к состоянию экологического коллапса [1]. Среди ряда стратегических задач, сформулированных в докладе, указана необходимость всеобщего экологического образования. Отражением этого в России стало введение экологии и охраны окружающей среды в школьные и вузовские учебные программы.

До 1970 года экология рассматривалась как раздел биологии. Поэтому значительная часть учебной литературы по экологии подготовлена биологами и ориентирована на биологов. Но к настоящему времени экология превратилась в самостоятельную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками [2, 3]. Поэтому необходима интеграция усилий представителей самых различных дисциплин для подготовки соответствующих учебных пособий, в частности, таких как "Физика и экология", "Физические основы экологии", "Экология глазами физики" и т.п. [4].

Функционирование любой экосистемы (в том числе и биосферы в целом) определяется законами физики, как наиболее общими законами природы. В последние десятилетия физики пришли к осознанию неравновесных систем, стремящихся к самоорганизации [5-7]. Катастрофы в таких системах хорошо прослежены в природно-экологическом плане Н.Н. Моисеевым [8]. Рассмотрение биосферы с точки зрения физики позволяет вскрыть объективные закономерности глобального экологического кризиса и наметить принципиальные возможности его предотвращения.

Обращение физиков к проблемам экологии является своего рода "раскаяньем", поскольку негативное воздействие человека на окружающую среду определяется уровнем развития технологий, базой которых являются достижения физики.

Ухудшение экологической обстановки на земле обусловлено постоянным ростом потоков энергии, вызванных удовлетворением растущих потребностей человечества. Так, в течение XX века потребности антропосистемы в энергии возросли более чем на порядок, сформировались гигантские индустриальные экосистемы-мегаполисы, потребляющие не энергию солнца (как естественные природные экосистемы), а

энергию органического и ядерного топлива. Добыча энергоносителей приводит к интенсивному росту структурной энтропии, а потребление энергии - к огромным выбросам тепловой энтропии, что и лежит в основе надвигающегося глобального экологического кризиса.

Но это, видимо, не фатальная неизбежность. Энтропия открытых систем в процессе прогрессивного развития может уменьшаться за счет и энергии от внешних источников [9; 10]. Поэтому для сохранения биосферы необходимо либо резкое снижение потребления энергии (т.е. уменьшение численности населения), либо получение новых экологически эффективных источников энергии. Последнее, в первую очередь, является задачей физиков. Следовательно, будущее антропосферы в значительной степени связано с дальнейшим развитием физики.

Таким образом, экологизация физики и физические аспекты экологического образования имеют исключительно важное значение в подготовке специалистов. Студентам физико-математического факультета Бийского госпединститута предлагается спецкурс "Физика и экология", цель которого заложить основы экологического мышления и экологической морали у будущих учителей, а также привлечение внимания физиков и математиков к решению проблем экологии.

Студентам предлагаются также темы дипломных работ, ориентированные на разработку методического обеспечения спецкурса (электронные методические пособия по физике почв и биосферы, энергетике основных биогеохимических циклов, моделированию экосистем и т.д.).

Программа спецкурса "Физические основы экологии"

для студентов физико-математического факультета

(24 часа, зачет)

ВВЕДЕНИЕ. Двадцатый век оказался веком коренной ломки обычных человеческих представлений. Образ жизни, наши мысли и само понимание мира за это столетие неузнаваемо изменились. Фантастический взлет техники и рост производительных сил необычайно расширили возможности человека. И тем не менее именно в XX веке человечество встало перед лицом глобальных проблем: энергетической, ресурсной, продовольственной, демографической. Эти проблемы взаимосвязаны и обусловливают главную проблему - экологическую, от решения которой зависит судьба человеческой цивилизации.

Современная экологическая ситуация характеризуется глобальным загрязнением основных элементов биосферы: атмосферы, гидросферы, литосферы; глобальным истощением природных ресурсов; глобальным изменением природных процессов и параметров окружающей среды; глобальным увеличением искусственной среды (антропосферы) за счет уменьшения природной.

Решение проблемы сохранения окружающей среды и выживания человечества требует согласованных, энергичных действий всего мирового сообщества. И первым этапом на этом пути должно встать всеобщее экологическое образование. В связи с этим экологизация учебных дисциплин стала частью мировой стратегии развития образования.

Особенно важной представляется экологизация физики, являющейся основой научно-технического прогресса, приводящего к угрожающему изменению биосферы. С одной стороны, необходимо при подготовке физиков формировать у них основы экологического мышления, с другой стороны, необходимо привлечь их внимание к изучению естественной среды обитания человека, физических основ ее функционирования.

Экологизация технических дисциплин, физики и других естественных наук должна стать основой формирования экологической культуры и принципиально новой технологической политики рационального природопользования.

ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ЭКОЛОГИИ. Экология - наука о законах, управляющих жизнью растений и животных в естественной среде обитания. Это наука об устройстве многоуровневых систем в природе, обществе и об их взаимодействии.

Истоки экологических проблем. Понятие экосистем (биогеоценотических систем), их отличие от систем, рассматриваемых в физике.

Биосфера. Моделирование экосистем. Основные компоненты экосистем. Принцип эмерджентности.

КЛАССИФИКАЦИЯ. УСТОЙЧИВОСТЬ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ЭКОСИСТЕМ. Классификация экосистем по чертам растительности, геологическим и физическим особенностям, энергетике.

Глобальная продукция и распад. Резистентная и упругая устойчивость экосистем. Саморегуляция и регулирование технических систем и экосистем. Регулирующая роль живых организмов (человека).

ЭНЕРГОЭНТРОПИЙНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ФИЗИКИ И ЭКОЛОГИИ. Основные законы энергоэнтропики применительно к техническим системам и экосистемам. Энергетические потребности человека. Основные энергетические эпохи цивилизации. Энергия в экосистемах.

ПОТОК ЭНЕРГИИ И КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ. Пищевые цепи. Модельные представления потока энергии через экосистемы. Изменения энергии и энтропии в пастбищной пищевой цепи. Продуктивность и коэффициент полезного действия экосистем.

СОЛНЦЕ И БИОСФЕРА. Спектр солнечного излучения. Солнечный ветер и магнитные бури. Солнечные ритмы. Распределение потока солнечной энергии. Солнечное излучение и атмосфера. Озоновый слой. Солнечное излучение и растительность. Солнечная энергия и энтропия биосферы.

БИОСФЕРА: ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Состав атмосферы. Гидросферные, литосферные, биологические и ноосферные функции атмосферы. Атмосфера и почва. Загрязнение атмосферы и парниковый эффект.

Мировой океан и климат планеты. Атмосферные и литосферные функции гидросферы. Вода в жизни человека. Загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

Литосфера и атмосфера. Тепловая энергия земли. Гидросферные функции литосферы. Литосфера как фактор эволюции живых организмов.

Влияние биомира на атмосферу и гидросферу. Почвообразующая роль живых организмов. Ноосферные функции живых организмов. Уменьшение генетического разнообразия биомира.

Планетарная роль почвы. Почва и живые организмы. Гидрологические функции почвы. Почва и атмосфера. Литосферные функции почвы. Загрязнение почвы. Загрязнение почв и необратимое уменьшение запасов гумуса.

СТРУКТУРА И ЭНЕРГЕТИКА ОСНОВНЫХ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ. Структура круговорота. Основные типы биогеохимических циклов. Круговорот воды. Нарушение глобального круговорота воды и рост пустынь. Круговорот двуокиси углерода и парниковый эффект. Круговороты азота и фосфора. Устойчивость и энергетика круговоротов.

ЛИМИТИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ ЭКОСИСТЕМЫ. "Закон минимума" Либиха. Диапазоны толерантности. Факторы, влияющие на диапазоны толерантности. Наиболее важные факторы среды. Биогенные макро- и микроэлементы. Антропогенный стресс и токсические отходы. Формы и типы загрязнений. Эффекты теплового загрязнения. Основные загрязняющие потоки и потоки энергии.

РАЗВИТИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЭКОСИСТЕМ. Основные закономерности. Аутогенная сукцессия. Структурная и информационная энтропия в процессе сукцессии. Изменение основных характеристик экосистемы в процессе аутогенной сукцессии. Изменение биоэнергетики экосистем в процессе развития.

Эволюция биосферы. Основные факторы долговременной эволюции биосферы. Эволюция биосферы и кислородной атмосферы. Ультрафиолетовое излучение, озоновый слой и развитие жизни на Земле.

Энергия и энтропия биосферы в процессе эволюции. Изменение внутренней энергии биосферы в доисторическое время и сейчас.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КРИЗИСА. Научно-техническая революция и антропопрессия. Выбросы тепловой и структурной энтропии промышленно-индустриальными экосистемами.

Загрязнение среды и истощение ресурсов. Классификация загрязнений окружающей среды.

Глобальные модели и варианты будущего мира. Проблема уменьшения энтропии в биосфере за счет новых источников энергии.

Литература:

1. Печчеи А. Человеческие качества. М.: Прогресс, 1985.

2. Одум Ю. Экология. в 2-х т. М.: Мир, 1986.

3. Рождественский Ю.Б. Введение в культуроведение. М.:ЧеРо, 1996.

4. Рыженков А.П. Физика и экология. М.: МГПИ им. В.И. Ленина, 1989.

5. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985.

6. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Мир, 1985.

7. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М.: Прогресс, 1994.

8. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М.: Наука, 1987.

9. Алексеев Г.Н. Энергоэнтропика. М.: Знание, 1983.

10. Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии. М.: Наука, 1988.

11. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы) //Россия молодая, 1994.

12. Гумилев Л.Н. Этносфера: Истории людей и история природы. М.: Экспресс, 1993.



Содержание