ФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОКЕАНА
География — наука о законах развития динами. ческих пространственных систем, формирующихся ‘ на земной поверхности в процессе взаимодействия
природы и общества, и об управлении зтими, системами. [4] .
■ Ю. Г. Саушкип
Чем океан /приводится в движение?
Сравнение океана с живой клеткой, сделанное в — предисловии, будет иметь смысл в том случае, если оно ’ — позволит увидеть что-то новое в природе океана. В этой главе мы будем касаться только физической стороны вопроса.
Известный физик Э. Шредингер дал следующее определение жизни: «Организация, поддерживаемая извлечением, «упорядоченности» из окружающей средь!»[5]. К этому. выводу его привел следующий ход рассуждений. Основной закон физики—-естественное стремление материи приближаться к хаотическому состоянию, термодинамическому равновесию, (максимальной энтропии как к некоторому эквиваленту неупорядоченности. Живой организм каким-то образом замедляет этот переход к максимальной энтропии, т. е. смерти. Причину такой ■способности сохранять упорядоченность видели в обмене веществ. «Но, —пишет Шредингер, — представляется нелепостью, чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента. Что же достигается их обменом? Одно время наше любопытство удовлетворялось утверждением, что мы питаемся энер-
гией. В ресторанах некоторых стран вы могли бы найтш карточки — меню, указывающие цену каждого блюда » содержание в нем энергии (калорий). Нечего и говорить,, что это нелепость, ибо во /взрослом организме содержание энергии так же (постоянно, как и содержание материи. каждая калория, конечно, имеет ту же ценность,, что и любая другая, поэтому нельзя іпонять, чему может помочь простой обмен этих калорий.
Что же составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пи іде, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить. Каждый процесс, явление, событие.(назовите, его как хотите), короче говоря, все, что»’ происходит в Природе, означает увеличение энтропии — в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живо» организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или,, иначе, производит положительную энтропию, таким образом, приближается к опасному состоянию макси- ‘ мальвой энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть остаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его» среды отрицательную энтропию»
Согласно статистической концепции упорядоченности* и неупорядоченности энтропия выражается уравнением. Больцмана ‘ ■ ‘
Энтропия = k lg D, (4)’
где k —постоянный множитель, связывающий энергию № температуру; D—количественная мера неупорядоченности. ■
Отрицательную, или негэятропию Шредингер выражает уравнением —
— (Энтропия) = k g(ljD), (5)’
подчеркивая, что она «есть сама по себе мера упорядоченное™», так же как. мерой упорядоченности можно — рассматривать величину 1JD. .
Попробуем ОТСЮДа ИЗВЛеЧЬ ЧТО-ТО существенное ДЛЯ’
океана. Мы привыкли считать, что важнейшие процессы,, составляющие «жизнь» .океана—движение его вод, их перемешивание, как и другие процессы, происходящие-
з географической оболочке Земли, развиваются за счет поступления солнечной энергии. ‘
Высказывания Шредивгера о клетке дают нам повод задуматься над этим. Поставим мысленный опыт. Освободим лучистую анергию, .поглощаемую океаном, от упорядоченности, используя количественную оценку этой. величины.-Соотношения (4) — (5), основанные н. а атомных моделях тел, для этой цели неудобны. Но їв теории ‘информации количество энтропии может быть выражено с помощью суммы вероятностей. При ©том вероятность какой-то характеристики находится по ее повторяемости или по ее. площади. Например, — пусть имеется пространство ^площадью Ni и одна десятая этого пространства имеет температуру Гь а девять десятых — температуру Т2. Информационная энтропия этого пространства «будет равна
И(Л/j) = — (0,1 log2 0,1 +0,9 log2 0,9) = 0,47,
где 0,1 — вероятность встретить температуру Ті, а 0,9 — .вероятность встретить температуру Т2. ■ .
В другом пространстве N2 две десятых площади ;имеют тёмпературу Ті и восемь десятых температуру Т2. — Информационная энтропия будет
Н (N2) = — (0,2 log2 0,2 + 0,8 log2 0,8) = 0,72.
Пространство, включающее десять равных участков >с разной температурой, будет иметь информационную энтропию
H{N,)= — 10(0,1 log2 0,1) = 3,3,
•;а пространство, разделенное на сто таких же участков, — H(N’4) = — 100(0,01 log2 0,0-1) = 6,6.
Таким образом, общая формула, определяющая информационную энтропию, имеет вид
П •
н~ — Sftlog2p,., (6)
тде р — вероятность. Входящий сюда логарифм имеет •основание два. Это связано с тем, что за единицу, .информационной энтропии выбрана информационная энтропия
пространства, порошу. разделенного между двумя величинами: .
Я (Щ = — (0,5 log2 0,5 4- 0,5 log2 0,5) = 1.
Информационная энтропия однородного пространства’ равна-нулю. Состояние однородности соответствует полной неупорядоченности, перемета, ннюсвд, хаосу.
■Предположим, что поступление лучистой энергии на: (Поверхность планеты во всех точках одинаково, т. е. лишено упорядоченности. Тогда океан станет поглощать эту анергию одинаково во всех широтах, одинаковыми, будут испарение и осадки, если они вообще будут в привычном нам понимании. Сохранятся только приливные течения, но собственные движения океана и конвективные таки перемешивания прекратятся. Ветер почти затухнет и будет поддерживаться лишь благодаря не — устраиенным еще в нашем опыте контрастам между сушей и океаном. Наступит термодинамическое состояние, о котором Шредингер писал: «Система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу материи — Достигается состояние, при ікотором не происходит никаких заметных событий». _ • ■
Таким образом, не само по себе количество поглощенной -энергии определяет напряженность океанических (Процессов, а именно упорядоченность этого поглощения,, которая в самых крупных масштабах вызвана движением и кривизной земной поверхности, а в самых: мелких — молекулярными свойствами воды.