2

Издание третье.

Дополненное и переработанное.

3

Л.В. Баньковский

СОБРАНИЕ СОЧИНЕНИЙ

ТОМ XVI

Опасные ситуации

природного характера

Учебно-методическое пособие

Часть I

2009 году –

ВСЕМИРНОМУ ГОДУ АСТРОНОМИИ –

посвящается

Москва

2015

4

УДК 614.8(075.8)

ББК 68.9я73

Б 34

Б 34 Баньковский Л.В.

Опасные ситуации природного характера [Текст]: Учебно-

методическое пособие: Часть I / Л.В. Баньковский. – Москва, 2015. –

[Электронное издание].

Методические рекомендации к практическим занятиям по предмету

«Опасные ситуации природного характера» предназначены для студентов

стационарного и заочного отделений естественно-математических

факультетов педагогических институтов, где читается соответствующий

курс.

В книге даны практические советы по организации самостоятельной

работы студентов, теоретические сведения дополнительно к лекционному

материалу, планы семинарских занятий по основным темам курса и перечень

литературы по данному предмету.

ББК 68.9я73

© Л.В. Баньковский, 2009

ISBN 5-89469-002-1

5

Содержание

Часть I. Нелинейная планетология 14

Предисловие 15

Тема: Нелинейная планетология. Равновесия, устойчивости, катастрофы и

революции в истории развития Земли и Космоса 17

Практическая работа № 1. Теория катастроф. Закономерности динамики упругой системы

21

Практическая работа № 2. «Машина катастроф»

21

Практическая работа № 3. Задачи по теории равновесия небесных тел

1. Вековое замедление вращения Земли приливными силами

2. Фигура нашей планеты и её перемены

3. Ускорение силы тяжести и вращение Земли

4. Палеомагнетизм о вековом сжатии Земли

25

Тема: Моделирование Земли, литосферы и основных структур земной коры 30

Практическая работа № 4. Использование теории графов при анализе моделирования

сжимающейся Земли

33

Практическая работа № 5. Геомеханика: наука о механических состояниях земной коры.

Моделирование тектонических структур, возникающих при вековом сжатии планеты.

37

Практическая работа № 6. Задачи по тектонике плит и фрактальной геометрии литосферы

40

Тема: Инженерная геология и реология о полях напряжений и

формировании разрывов в земной коре 48

Практические работы № 7 и 8. Прессиометрия. Испытания прочности грунтов,

выполняемые при проведении инженерно-геологических работ

52

Практическая работа № 9. Реология. Моделирование путей распространения

тектонических напряжений в блоковых структурах земной коры

56

Практическая работа № 10. Физика землетрясений. Лабораторные исследования процесса

формирования разрыва в земной коре

59

Космические опасности 63

Предисловие 64

Тема: Вклад учёных Урала в астрономию и космонавтику. Поиск путей к

пониманию физической природы космических опасностей

64

6

Практическая работа № 11. Общие закономерности динамики

планет и Солнца

77

Тема: Опасные излучения космоса: солнечная радиация 88

Практическая работа № 12. Незащищённый человек на открытом солнце

87

Тема: Опасные излучения космоса:

галактические и солнечные космические лучи 88

Практическая работа № 13. Наблюдения за космическими лучами на фоне ночного неба.

Изучение последствий возможного редчайшего воздействия особо тяжёлых космических

ядер на ваш организм. Лабораторные исследования космических лучей

студентами Московского государственного университета

95

Тема: Магнитные и гравитационные поля и бури

во Вселенной и в Человеке 96

Практическая работа № 14. Задача Эйнштейна

106

Тема: Кометные опасности 107

Практическая работа № 15. Ситуационная задача –

выяснить причины Тунгусской катастрофы 1908 года

121

Тема: Метеоритные и метеорные опасности 122

Практическая работа № 16. Ситуационная задача –

дать характеристику метеоритам, выпавшим на Урале

142

Тема: Астероидные опасности 142

Практическая работа № 17. Ситуационная задача – провести исследование

генетической связи между кометами, астероидами и метеоритами

143

Тема: Опасности Активного Солнца 153

Практическая работа № 18. Разработать схему информационной поддержки

научно-исследовательских работ и практического обеспечения

космической безопасности населения региона, страны, земного шара

170

Приложение 1. Сущность системного подхода к изучению опасных ситуаций природного

характера и психической устойчивости в экстремальных условиях

188

Приложение 2. Моделирование культуры безопасности жизни человека и общества

198

Приложение 3. Формирование информационной культуры студентов по курсу опасных

ситуаций природного характера, по геологии и смежным наукам

209

7

Послесловие

223

Часть II. Атмосферные опасности

Введение: Вклад учёных Урала в гидрометеорологию и климатологию.

Поиск путей к пониманию физической сути атмосферных

природных стихий 3

Тема Нелинейная климатология.

Моделирование климата и климатических опасностей 14

Практическая работа: Энергетика климатической системы

31

Тема: Нелинейная геофизика. Моделирование тектоно-вулканических

процессов, обусловливающих проявление атмосферных опасностей.

Определение форм и степени воздействия геодинамических процессов

на функционирование климатической и погодной систем 34

Практическая работа: Динамика литосферы и её воздействие на погоду и климат Земли

41

Тема: Нелинейная метеорология.

Моделирование атмосферы и опасных её явлений

78

Практическая работа: Наблюдение и моделирование в метеорологии

100

Тема: Динамическая метеорология.

Приёмы изучения и характеристики атмосферных опасностей 111

Перечень таблиц

Часть I

1. Экологические кризисы и революции ……………………………………….…………..19

2. Анализ динамики упругой шарнирно закреплённой балки с центральной

сосредоточенной нагрузкой ……………………………………..………..…….22

3. «Машина катастроф» и работа с ней ………………………………………………....….23

4. Процентное содержание разнопорядковых узлов в системах графов различной природы

(по А. Уэббу) .........................................................................................................34

5. Эксперимент «Терелла» ......................................................................................................35

6. Примеры радиального расположения геоструктур в горных узлах и в вершинных

ледниковых комплексах .......................................................................................36

7. Типовые модели основных структур тектоносферы ........................................................38

8. Тектонотипы региональных надвигов ...............................................................................39

9. Приёмы выделения плановых ограничений глыб земной коры на основании теории

фрактальной геометрии и различных геоиндикаторов ......................................42

10. Тектоника литосферных глыб и обрамляющих их плит ................................................43

11. Примеры разной интерпретации временнóго разреза земной коры ..............................44

12. Схемы установок для испытания грунтов ........................................................................50

8

13. Установка для испытаний прочности грунта методом выпирания призмы ...................54

14. Интерпретация разреза земной коры и верхней мантии по профилю остров Сахалин –

Тихий океан и Этапы вулканического процесса ..................................................58

15. Интерпретация расположения тектонических глыб и плит в южном полушарии Земли

(см. часть 2, таблица 19)

16. Зоогеография и геотектоника (см. часть 2, таблица 18)

17. Уральская обсерватория бронзового века Аркаим ………………………………………65

18. Уральские путешествия А. Гумбольдта и М. Ковальского ………………………….….67

19. Астрономы, работавшие в Перми .......................................................................................69

20. Модели оболочек крупных небесных тел. Дифференциация недр .................................76

21. Эволюция планет и Солнца .................................................................................................78

22. Радиационные космические опасности в системе Космос-Земля ...................................81

23.Космическое электромагнитное излучение в атмосфере Земли .......................................82

24. Радиационное воздействие Солнца на организм человека ...............................................83

25.Эритемная радиация и кожа человека .................................................................................84

26. Воздействие ионизирующих излучений космической и иной природы на организм

человека. Острая лучевая болезнь .........................................................................85

27. Дозиметрия ионизирующих излучений .............................................................................86

28. Космические лучи: электронно-ядерный ливень...............................................................89

29. Изотопный состав космических лучей (КЛ), их обилие и ионизирующая

способность ...............................................................................................................90

30. Химические элементы и молекулы в межзвёздной и межпланетной среде ...................91

31. Приборы и установки для изучения космических лучей .................................................92

32. Метеориты – естественные зонды космических лучей ....................................................93

33.Радиационный фон, создаваемый космическими лучами .................................................94

34. Магнитные поля во Вселенной ...........................................................................................97

35. Упрощенная схема формирования электромагнитных полей ..........................................98

36. Электромагнитные взаимодействия ...................................................................................99

37. Общая схема воздействий Солнца на Землю ...................................................................100

38. Схемы взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли ..........................101

39. Изучение гравитационных сил ..........................................................................................102

40. Изображении комет ............................................................................................................109

41. Эволюция комет ..................................................................................................................110

42. Строение кометы и модели её ядра ...................................................................................111

43. Строение кометной ионосферы и взаимодействие кометы с солнечным ветром ........112

44. Хвосты комет ......................................................................................................................113

45. Кометные орбиты ...............................................................................................................114

46. Столкновения комет с Солнцем и Юпитером .................................................................115

47. Комета Галлея .....................................................................................................................116

48. Экспедиции к кометам .......................................................................................................117

49. Эксперимент «Вега» – полёт к комете Галлея .................................................................118

50. Космические аппараты – кометные зонды .......................................................................119

51. Старинные изображения комет .........................................................................................120

52. Царство минералов .............................................................................................................124

53. Классификация метеоритов ...............................................................................................125

54. Петрохимия метеоритов .....................................................................................................126

55. Углистые метеориты ..........................................................................................................127

56. Тектиты ................................................................................................................................128

57. Микроструктура метеоритов .............................................................................................129

58. Движение и дробление метеоритов в земной атмосфере ...............................................130

59. Падение метеоритов ...........................................................................................................131

60. Падения метеоритов на Урале ...........................................................................................132

9

61. Аризонский метеоритный кратер ...........................................................................133

62. Астроблемы ..............................................................................................................134

63. Космическая пыль ....................................................................................................135

64. Вещество межпланетных пылинок .........................................................................136

65. Микрометеориты ......................................................................................................137

66. Метеоритные кратеры на Земле, астероидах, ядрах комет ..................................138

67. Информационно-измерительная система для метеоров и метеорного

вещества ..............................................................................................................139

68. Метеорные потоки .....................................................................................................140

69. Наблюдения метеорных потоков и отдельных метеоров .......................................141

70. Классификация астероидов ........................................................................................144

71. Встреча космических аппаратов с астероидами .......................................................145

72. Космические аппараты – зонды астероидов ..............................................................146

73. КА «Галилей» исследует астероиды и кометы ..........................................................147

74. Астероиды солнечной системы, сфотографированные с помощью автоматических

межпланетных станций ....................................................................................148

75. Скорости и орбиты астероидов и порождаемых ими метеоритов ............................149

76. Сравнительные характеристики плотности, состава и скоростей астероидов и

порождаемых ими метеоритов и их моделей ..................................................150

77. Астероиды – опасные космические объекты ................................................................151

78. Астероидная опасность ...................................................................................................152

79. Устройство орбитальной станции «Скайлэб» (общее обеспечение безопасности

жизнедеятельности персонала космической обсерватории) ...........................154

80. Состав экипажей, научное оборудование и результаты исследовательской

деятельности учёных «Скайлэба» ......................................................................155

81. Магнитные жгуты в недрах Солнца по исследованиям

Дж. Г. Пиддингтона (1979) ..................................................................................156

82. Дугообразные структуры на Солнце по исследованиям З.Б. Коробовой .....................158

83. Фракталы на Солнце ..........................................................................................................159

84. Световые мосты на солнечных пятнах .............................................................................160

85. Первые зонды для внеатмосферных исследований Солнца ...........................................161

86. Тектоника меридиональных литосферных глыб и плит .................................................162

87. Тропические циклоны и тектоника субширотных фракталов Земли ............................163

88. Вулканомагматические каналы и проницаемые разломы ..............................................164

в активных областях Земли .................................................................................165

89. Рифовые зоны Земли ..........................................................................................................167

90. Исследовательские задачи, решаемые с помощью ИСЗ «Прогноз» по оперативному

обеспечению радиационной безопасности космических полётов ....................168

Часть 1. Приложение

91. Строение Солнца и его атмосферы ...................................................................................174

92. Классификация солнечных пятен .....................................................................................175

93. Вспышки на Солнце. Общие сведения .............................................................................176

94. Вспышки на Солнце. Волокна и спектры ........................................................................177

95. Типы солнечных вспышек .................................................................................................178

96. Солнечные протуберанцы ..................................................................................................179

97. Снимки и структурные рисунки короны по наблюдениям затмений (по Н.Г. Бочкарёву

и др.) ........................................................................................................................180

98. Корональные дыры .............................................................................................................181

99. Корональная активность Солнца, её основные структуры ……………………....…….182

10

100. Тектонотипы региональных надвигов на Солнце и объяснение природы

высокоскоростных потоков частиц из корональных дыр ……………...……...183

101. Солнечные телескопы ……………………….……………………………………….....184

102. Великие астрономы древности, средневековья и нового времени ….…………….....185

103. Образы астрономов и астрономии в живописи …………………………….………....186

104. Образы астрономов и астрономии в творчестве Рафаэля (в центре) и Донато Крети

……………………………………………………………………………………..187

105. Структурные уровни системы «Природа» .....................................................................189

106. Аспекты системы и принципы системологии (а). Многоаспектное индексирование

научной информации по естественным наукам (б) ............................................191

107-109. Сущность системного подхода к изучению опасных ситуаций природного

характера .........................................................................................................195-197

110. Факторы выживания в экстремальных условиях опасных природных ситуаций ......205

111. Схема взаимосвязей психических явлений у человека в экстремальных условиях (по

К.К. Платонову) ....................................................................................................206

112. Междисциплинарные аспекты фундаментального понятия безопасности

жизнедеятельности «опасность» .........................................................................207

113. Формы интеграции знаний в учебном курсе «Безопасность жизнедеятельности» ...207

114. Классификация стихийных бедствий (а) и экзогенных процессов (б) ........................210

115. Некоторые модели взаимосвязей между различными стихийными бедствиями .......211

Часть II

1. Структура системы «Атмосфера-Криосфера-Мировой океан-Атмосфера». Опасности

системы ……………………………………………………………………………18

2. Компоненты климатической системы и их взаимодействие ……….……………………19

3. Обратные связи в климатической системе ………………………….…….….…………...20

4. Климатообразование и динамика его компонентов ………………..………………..……21

5. Климатологические фронты ………………………………………………………………..22

6. Параметры и факторы климатической системы ……………………...…………….……..23

7. Модели климатической системы ……………………………………...…………..………..24

8. Климатоэкологические опасности и катастрофы в истории Земли ……...……………....25

9. Энергетический цикл в климатической системе ………………………………………….26

10. Энергетика климатической системы ……………………………………..………………27

11. Тепловой баланс Земли …………………………………………………..………………..28

12. Средние оценки структуры теплового баланса Земли ………………..…………………29

13. Средний годовой тепловой баланс Земли ………………………………..………………30

14. Основы системного подхода …………………………………………….……….……….31

15. Классификация и принципы организации и динамики систем по П. Белову, 2003 …..32

16. Геофизические модели при исследованиях направленности развития Земли ……...…40

17. Фрактальное членение литосферы Земли ……………………………………………..…41

18. Зоогеография и геотектоника северного полушария ………………………………..…..42

19. Интерпретация расположения субмеридиональных тектонических глыб и плит в

южном полушарии Земли ……………………………………………………..….43

20. Тектоника меридиональных литосферных глыб и плит …………………………..…….44

21. Тектоника северо-востока Евразии …………………………………………………..…...45

22. Тектоника субширотных фракталов Земли и тропические циклоны

………………………………………………………………………………….…...46

23. Вулканы бассейна Атлантического океана ……………………………………..………..47

24. Вулканы бассейна Тихого океана …………………………………………….……….….48

25. Тектоника и вулканизм на северо-востоке Тихоокеанского «Огненного Кольца»

………………………………………………………………………………..……..49

11

26. Охотская глыба земной коры, Камчатка и Курилы ………….…………………………50

27. Эволюция магматизма и вулканизма в истории Земли ………………………………..51

28. Гидросфера и атмосфера – продукты вулканизма …………………………….………..52

29. Вулканомагматические каналы и проницаемые разломы в активных областях Земли

……………………………………………………………………………………...53

30. Схемы глубинного строения вулканов ………………………………………………….54

31. Факторы вулканизма ……………………………………………………………………..55

32. Вулканические угрозы …………………………………………………………………...56

33. Газовые, пепловые и пылевые выбросы вулканов …………………………….………..57

34. Вулканические облака над Землёй ………………………………………………………58

35. Направленные взрывы при вулканических извержениях ……………………………...59

36. Вулкан Кракатау …………………………………………..……………….……..……….60

37. Обвально-взрывные вулканические извержения …………….………….……..………61

38. Пелейский тип вулканических извержений ……………….……………….…….…….62

39. Вулканические извержения и пеплопады в Средиземноморской зоне земной коры

…………………………………………………………….……………………..…63

40. Вулканические пеплопады на Североамериканском континенте и в Индонезии

……………………………………………………………….…………….….…….64

41. Фреатические и фреатомагматические извержения …………………………….....……65

42. Извержения подводных вулканов ………………………………………………..……….66

43. Фумаролы …………………………………………………………………………..………67

44. Гейзеры ……………………………………………………………………………..………68

45. Горячие источники, гидротермы ………………………………………………..….……..70

46. Гидротермальные образования океанических рифтовых зон – чёрные и белые

«курильщики» …………………………………………………………………..…71

47. Грязевые вулканы …………………………………………………………………...……..72

48. Маары ………………………………………………………………………………...……..73

49. Действующие вулканы и работа авиации …………………………………………..……74

50. Вулкан Авачинский: опасность от будущих извержений ………………..……..…..…..75

51. Структура метеорологии и смежных отраслей знания …………………....………...…..81

52. Вертикальное строение литосферы и атмосферы Земли ……………….…...………......82

53. Типы воздушных масс …………………………………………………….…..…………...83

54. Атмосферные фронты. Модели разделов между воздушными массами….......….…….84

55. Высотные фронтальные зоны на Земле – аналоги солнечным протуберанцам?

………………………………………………………………………….………......85

56. Строение высотных фронтальных зон (ВФЗ) …………………………….……………..86

57. Строение области входа и дельты ВФЗ ………………………………….………………87

58. Структура барического поля Земли и центры действия атмосферы

……………………………………………………………………………………...88

59. Структура поля давления у земной поверхности и направления ветра по Стралеру

(1969) ……………………………………………………………………………....89

60. Структура поля давления на уровне моря и течения воздуха по О. Дроздову и др.

(1989) ………………………………………………………………………………90

61. Типичное распределение атмосферного давления на уровне моря по С. Данлопу (2008)

…………………………………………………………………………………..….91

62. Тепловой режим Евразии и Северной Африки …………………………….…….....…..92

63. Ветровой режим Евразии и Северной Африки …………………………….…….….….93

64. Мощные ветры. Характеристики силы ветра …………………………………….……..94

65. Струйные течения …………………………………………………………………….…..95

66. На пути к пониманию природы струйных течений …………………………….………96

67. Моделирование атмосферных явлений ………………………………………………..100

68. Моделирование общей циркуляции атмосферы ………………………………………101

12

69. Изучение ветровых волн в океане и их моделей в ветровом бассейне

…………………………………………………………………………………….102

70. Модели стадий развития циклона ……………………………………………………...103

71. Моделирование полос дождей в области «глаза» тропического циклона

……………………………………………………………………………………..104

72. Схема образования смерча и модели воздушных вихрей ……………………….….…105

73. Модели смерчей …………………………………………………………………….……106

74. Моделирование воздействия воздушных вихрей на воду ………………………..……107

75. Классификация атмосферных явлений ……………………………….………………...117

76. Классификация атмосферных опасностей по условиям возникновения и эволюции

……………………………………………………………………………………..118

77. Туманы и дымка ……………………………………………………………………….…119

78. Типы туманов ………………………………………………………………………….....120

79. Радиационные и адвективные туманы ……………………………………………….…121

80. Орографические туманы …………………………………………………………….…..122

81. Горные туманы ……………………………………………………………………….…..123

82. Светящиеся туманы и белая мгла ……………………………………………………....124

83. Международная классификация облаков……………………………………..……..….125

84. Классификация облаков (Г. Претор-Пинней, 2007).…………………………….…..…126

85. Конвективные, струеобразные и струйные системы.………………………….…….....127

86. Облачный столб в горной долине ………………………….…………………….…..….128

87. Облака конвекции ……………………………………….…………………….……..…...129

88. Конвективные облака и их производные ……………………………………….…..…..130

89. Конвективные ячейки …………………………………………………………..……..….131

90. Радиолокационные исследования конвективных облаков и ячеек конвекции ....…….132

91. Кучево-дождевые облака с наковальнями ………………………………............…..….133

92. Воздушные потоки и зоны возмущений температуры

кучево-дождевых облаков ……………………………........................................…134

93. Облака над вершинами гор и вулканов ………………….…………………….………..135

94. Перистые облака ………………………………………………………………………....136

95. Структура перистых облаков ……………………………………………….….………..138

96. Турбулентность …………………………………………………………………………..139

97. Турбулентность. Болтанка ……………………………………………………………....140

98. Влияние приземных нисходящих воздушных потоков

на работу авиации …………………………………...................................................141

99. Обледенение ……………………………………………………………………………...142

100. Стоковые ветры и новороссийская бора ………………………………………….…...143

101. Кизеловская бора ………………………………………………………….……...…..…144

102. Строение и динамические особенности региона, в котором наблюдаются кизеловские

боры ……………………………………………………………………………….145

103. Струйные течения ……………………………………………….…………………..…..146

104. Типология струйных течений и положение их осей при различных стадиях развития

циклона и антициклона …………………………………………………….…....147

105. Струйные течения над Евразией ……………………………….…………………........148

106. Струйные течения в северном полушарии ……………………………….………..…..149

107. На пути к познанию природы струйных течений …………………………………......150

108. Шкваловая линия ………………………………………………………….…...……..…151

109. Шкваловый ворот. Грозовой вал ………………………………………….……............152

110. Шквальные бури ……………………………………………….…………….…….……153

111. Развитие песчаной бури ………………………………………………….………..……154

112. Распространение пыльной бури над севером

Западной Атлантики ………………….…..........................................................….155

13

113. Песчаные бури над Сахарой ……………………………………….....………...……..….…..156 114. Распространение пылевых бурь над югом России и смежными территориями

…………………………………………………………………………..........……....….…157 115. Песчаные бури над Центральной и Восточной Азией …………………....….….…............158 116. Грозы ………………………………………………………......................................................159 117. Структура грозы ……………………………………………………………….….........….…...160 118. Грозы на Урале …………………………………………..........................................................161 119. Характерные синоптические положения при грозах на Урале ……………….....……........162 120. Распределение гроз на земном шаре ………………………………………………........…....163 121. Молнии ………………………………………………………………………….…..…........…..164 122. Молнии-спрайты и молнии-джеты ……………………………………………..…….............165 123. Шаровая молния ……………………………………………………………….……........…....166 124. Град ……………………………………………………………………………….…..…............167 125. Град и градовые облака ………………………………..............................................................168 126. Регионы земного шара со смерчепроявлениями ……………………………...….….........….169 127. Зародыши смерчей – материнские смерчевые вихри или мезоциклоны

…………………………………………………………………………………….............170 128. Структура смерча …………………………………………………………….….......................171 129. Причины смерчеобразования ……………………………………………….………........…....172 130. Причины смерчеобразования (продолжение) …………………………………..….........…....173 131. Необычные торнадо в США ........................................................................................................175 132. Шквалы. Шкваловые линии ........................................................................................................176 133. Тайфуны и циклоны на синоптических картах .........................................................................177 134. Строение и динамические особенности центральной части территории Европейской России

...............................................................................................................................................178 135. Строение и динамические особенности земной коры Кавказского региона ...........................179 136. Бермудский треугольник и тропические циклоны .....................................................................180 137. Смерч, или торнадо .......................................................................................................................181 138. Современные фотографии смерчей, торнадо .............................................................................182 139. Из истории наблюдения за смерчами ..........................................................................................183 140. Земля – планета струйных и вихревых извержений и истечений .............................................184 141. Торнадо в Соединённых Штатах Америки ..................................................................................185 142. Схемы климатообразования в подсистеме «океан-атмосфера» .................................................186 143. Тепловой баланс Земли ..................................................................................................................187 144. Тропические циклоны: происхождение .......................................................................................188 145. Тропический циклон в разрезе .....................................................................................................189 146. Тропические циклоны: условия образования и траектория движения .....................................190 147. Строение тропических циклонов в плане ....................................................................................191 148. Жизнь тропического циклона ......................................................................................................192 149. Ущерб от тропического циклона ..................................................................................................193 150. Внетропические циклоны: стадии их развития ...........................................................................194 151. Шторм по И. Давидану, Л. Лопатухину, 1982 ............................................................................195 152. Антициклоны ..................................................................................................................................196 153. Климатологические фронты ..........................................................................................................197 154. Ураганы ...........................................................................................................................................198 155. Структура поля давления (гПа) у земной поверхности и направления ветра по С.П. Хромову,

2004 .......................................................................................................................................199 156. Цикл жизни внетропического циклона ........................................................................................200 157. Горные туманы ...............................................................................................................................201 158. Распределение осадков на Восточно-Европейской равнине ......................................................202 159. Радиационные и адвективные туманы ..........................................................................................203 160. Энергия в климатической системе ................................................................................................204 161. Характеристика силы ветра (шкала Бофорта) ..............................................................................205 Мир необходимости. Мир оптимальных решений. Мир интереса (Иллюстрация из домашнего архива

автора) ....................................................................................................................................206

14

15

Предисловие

Почти шесть десятилетий назад маленькое приморское государство постигло

большое бедствие. Ранним зимним утром двадцатая часть этой страны с несколькими

крупными прибрежными городами оказалась под водой. В работе Дельта-Комитета,

организованного правительством для разработки мер по предотвращению в будущем

подобных катастроф, принял участие математический центр страны. А через год в

Амстердаме Всемирный конгресс математиков впервые за свою историю обсуждал

«математические проблемы, возникшие в связи с разрушительным наводнением». Доклад

учёного из пострадавшего государства начинался со слов: «Судьба людей и их воля не

поддаются расчётам. Однако математика может смягчить воздействие природы на

человеческие судьбы и усилить эффект ответных реакций человечества».

В наши дни совместная работа математиков, планетологов, геологов и биологов над

важнейшими проблемами происхождения и развития Земли не кажется случайной.

Потребность точного предсказания катастрофических наводнений, землетрясений,

вулканических извержений, цунами, селей и оползней, тайфунов и смерчей очевидна.

Методы прикладной математики для прогноза различных чрезвычайных и кризисных

ситуаций природного характера не новы. Однако при однородных математических

приёмах прогнозы различных видов стихийных бедствий выполняются до сих пор

независимо специалистами разных наук – нередко в удалённых друг от друга

исследовательских центрах. Нет ничего удивительного в том, что за многие столетия

противостояний природным катастрофам человек создал столь много

специализированных наук. Посвящены они не только каждой отдельной природной

стихии, но и различным состояниям её проявления. Ныне известны десятки таких наук –

«далёких и близких» одновременно.

Однако и эти многочисленные, тщательно проработанные и сопоставленные друг с

другом отрасли полезнейших для обеспечения безопасности человека знаний не

исчерпывают всего спектра природных опасностей.

Сейчас более чем когда бы то ни было оказались важными пророческие слова

К.Э. Циолковского:

«Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством,

сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное

пространство».

В последние полвека предсказанное Циолковским начало эры освоения Вселенной

сопровождалось разносторонним и глубоким изучением околоземного пространства,

ближнего и дальнего космоса с помощью специальных наземных средств, а также ракет,

спутников, околоземных орбитальных и межпланетных станций и лабораторий,

космических телескопов и иных исследовательских зондов. И список традиционных

опасных ситуаций земного происхождения пополнился различными космическими

опасностями, связанными со вновь открытыми радиационными поясами Земли, взрывами

сверхновых звёзд, галактическими излучениями, проявлениями бурной активности

Солнца, воздействием на нашу планету астероидов, комет, метеоритов.

Хотелось бы обратить особое внимание студентов на сложность взаимосвязей

природных земных и космических процессов, наметить определённые пути для более

тесного содружества исследователей разных специальностей в познании глубинных тайн

природы. Распространённым направлением математических исследований в

экстремальном общем природоведении является создание моделей-откликов и

математическая обработка полученных с их помощью экспериментальных данных.

В учебно-методическом пособии сформулированы некоторые приёмы приобретения

и освоения практических навыков для ориентации в общем курсе «Опасные ситуации

природного характера». Автор пособия старался избегать примеров моделирования

хаотических, случайных взаимоотношений между природными опасностями и рисками и,

16

в противовес приёмам мозаичного моделирования опасных ситуаций, старался

обнаружить, проявить взаимосвязанную систему моделей-откликов на региональном,

планетарном и глобальном уровнях.

В помощь студентам, нередко затрудняющимся в выборе алгоритмов проведения

сложных по структуре исследований, автор поместил в пособии ряд приложений

методологического характера. В качестве объединяющей методологической системы

принят системный подход с системными аспектами исследований, универсальными для

большинства разноуровневых опасных природных объектов и явлений. Обращено

внимание на необходимость овладения моделированием культуры безопасности жизни

человека и общества, на важность формирования информационной культуры учебно-

исследовательских работ студентов по темам курса «Опасные ситуации природного

характера». Высказаны некоторые предложения по порядку преподавания основ этого

курса. Обращено внимание на желательность введения в курс таких ситуационных задач,

которые бы исходили из знания региональных особенностей мест проживания и

деятельности студентов.

В подборе литературных источников по многим темам курса автору оказали помощь

сотрудники фундаментальной библиотеки Московского авиационного технического

университета (МАИ), выпускником которого автор является. Выражаю глубокую

признательность всем коллегам, принявшим участие в обсуждении и оказавшим мне

помощь в усовершенствовании рукописи, а также Фонду развития отечественного

образования, отметившему первый сжатый вариант моей книги дипломом лауреата

конкурса на лучшую научную книгу 2006 года.

17

Тема: Нелинейная планетология. Равновесия, устойчивости,

катастрофы и революции в истории развития Земли и Космоса

Знаменитый Пифагор впервые перенёс на мироздание

обыденные в Древней Греции слова «космос», означающее строгий

порядок и красоту, и «гармония», означающее соразмерность.

В начале XVII столетия астроном Кеплер с помощью

пифагорейской идеи «гармонии мира» основал небесную механику.

В конце того же века Ньютон начал разработку теории равновесия

небесных тел, а ещё столетие спустя, в 1773 году, Лаплас поставил

вопрос об устойчивости солнечной системы.

Первым теоретиком учения о земных

катастрофах – катастрофизма – явился известный

французский естествоиспытатель Ж. Кювье (рис. 1). В

1812 году он выпустил книгу «Рассуждения о

переворотах на поверхности земного шара». Подведя в

четырёхтомной монографии итоги своим

исследованиям, Кювье объяснил резкие перемены в

составе ископаемой фауны внезапными

геологическими катаклизмами: землетрясениями,

вулканическими извержениями, катастрофическими

наводнениями и другими земными процессами. В

настоящее время совокупность земных и космических

катастроф может быть представлена на рис. 2. В

дальнейшем в поле зрения учёных-катастрофистов

попали такие экстремальные космические явления как

падения на земную поверхность метеоритов и

метеоритных дождей, возможные столкновения Земли

с кометным веществом и астероидами, всеобщее

охлаждение космоса.

В конце XIX века профессор термодинамики

Р. Клаузиус и его последователи сформулировали

концепцию неизбежной тепловой смерти Вселенной, а

следовательно, и грядущего постепенного угасания

всей космической жизни. Гипотеза Клаузиуса с

претензией на теорию широко публиковалась в печати:

человеческие скелеты под сосульками с надписью

«энтропия» изображались даже на обложках научно-

популярных журналов. Во всемирную дискуссию по

этому поводу включился и К.Э. Циолковский. В 1905 г.

он написал статью «Второе начало термодинамики», в

которой утверждал, что постулат о конце мира не

является законом Вселенной и вспыхивающие на

наших глазах новые звёзды – очевидное тому

доказательство. А сама земная жизнь разве не

типичный антиэнтропийный процесс? «Палеонтология

несомненно показывает, – пишет учёный, – что жизнь

прогрессировала, то есть шла от низших существ до

человека». Для того, чтобы окончательно утвердить

неограниченные возможности выживания

человечества, Циолковский разработал оригинальную

теорию космического круговорота, состоящего из

Рис.1. Массовые вымирания в

фанерозое. Жирными стрелками

обозначены великие массовые

вымирания, тонкими – малые (по А.С.

Алексееву, 2000)

Ж. Кювье

18

повторяющихся эволюционных циклов (рис.3). Учёный объяснил реальную возможность

человечества с помощью космических ракетных систем расселяться по Вселенной к

другим солнечным системам, к тем их планетам, которые находятся в наиболее

благоприятных фазах вселенских циклов, свободных от угроз экстремальных факторов.

Развивая концепции спиральной эволюции Вселенной, космических и земных

круговоротов, современные исследователи создали наглядные схемы смен форм движения

материи во времени, схемы последовательностей экологических кризисов и

преодолевавших их революций (таблица 1).

Теоретические построения катастрофизма, органично включившего разработки

систем противодействия катаклизмам, постепенно проникали в разные области

естественнонаучного знания, обусловив создание многих концепций вымирания флор и

фаун в палеонтологии, содействовав становлению палеосейсмологии, палеовулканологии,

палеогидрогеологии и других наук. Особенное место занимает изучение нестационарных

космических процессов в современной

астрофизике. Учёный-космист А.Л. Чижевский –

единомышленник и соратник К.Э. Циолковского

– открыл новую науку гелиобиологию. Книга

Чижевского «Земное эхо космических бурь»

хорошо известна читателям, интересующимся

историей изучения солнечно-земных связей и

влиянием солнечной активности на здоровье

человека. В двадцатом столетии при бурном

развитии экологии возникло немало теорий

экологических кризисов и такие новые

обобщающие науки, как кризисология, теория Рис. 3

19

20

катастроф, рискология. Хорошо известны и нынешние достижения такой новой

теоретической и прикладной науки, как медицина катастроф. Теория рисков широко

используется ныне не только в разных сферах экономической деятельности, но и при

составлении таких важнейших нормативных сейсмологических документов как карты

сейсморайонирования различных регионов земного шара. Простая формула риска (R):

R = Ф (Pa , Pb , Pcb , c),

где:

Ф – фактор, различный для разного рода катастроф;

Ра – вероятность катастроф, вычисленная по числу катастроф предшествующих;

Рb – вероятность возникновения качественно разрушительных процессов при

катастрофах;

Рсb – внешние условия;

с – последствия катастроф.

Литература

Алексеев А.С. Типизация фанерозойских событий массового вымирания организмов //

Вестник МГУ, сер. 4. – Геология, 2000, № 5

Афанасьев А.Ю. Мифология катастроф. М.: АиФ Принт, 2003

Баринов А.В. Чрезвычайные ситуации природного характера и защита от них. М.:

ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003

Буянов В.П., Кирсанов К.А., Михайлов Л.М. Рискология (управление рисками). М.:

Экзамен, 2003

Волович В.Г. На грани риска. М.: Мысль, 1985

Голубчиков Ю.Н. Глобальные катастрофы в истории цивилизаций. М.: Вече, 2005

Давиташвили Л.Ш. Причины вымирания организмов. М.: Наука, 1969

Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975

Дружинин И.П., Сазонов Б.И., Ягодинский В.Н. Космос–Земля. Прогнозы. М.:Мысль,1974

Ионина Н.А., Кубаев М.Н. Сто великих катастроф. М.: Вече, 2002

Иорданский Н.Н. Эволюция жизни. М.: Академия, 2001

Катастрофы и аварии. Мн.: Литература,1996

Кукал З. Природные катастрофы. М.: Знание, 1985

Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. М.: Академия, 2003

Резанов И.А. Планета бушующих катастроф. М.: Вече, 2005

Хофельман К. Катастрофы вселенной. М.: АСТ, 2003

Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976

Ягодинский В.Н. Александр Леонидович Чижевский. М.: Наука, 1987

Ястребов Г.С. Безопасность жизнедеятельности и медицина катастроф. Ростов н/Д:

Феникс, 2005

Контрольные вопросы:

1. Дайте характеристику стационарности и нестационарности земных и космических

процессов и явлений

2. Назовите причины массового вымирания организмов в геологической истории

3. Перечислите основные этапы становления и развития науки о катастрофах

4. Определите практическое значение современных исследований метеоритов, комет,

астероидов, солнечных вспышек, взрывов сверхновых звёзд

5. Назовите области применения науки рискологии

6. Дайте определение понятию «риск»

7. Оцените вклад современных приложений теории катастроф к изучению

чрезвычайных ситуаций природного характера и к защите от них

21

Практическая работа №1 Теория катастроф. Закономерности

динамики упругой системы

Цель практических работ 1 и 2: изучение физических и математических

оснований теории катастроф, закономерностей динамики простейших упругих систем. В

эксперименте используется длинная деревянная или металлическая линейка, выгнутая

вверх и зажатая в таком состоянии, например, стопками тяжёлых книг (2а). При

последовательном нагружении линейки гирьками или заменяющими их одинаковыми

грузиками регистрируется стрела прогиба с помощью вертикально стоящей линейки или

угольника. Заполняется табличка эксперимента по следующему образцу:

Этапы нагружения системы 1 2 3 4 5 … n

Нагрузка в граммах или

единицах нагрузки

Стрела прогиба, мм

Строится, согласно этой табличке, графическая «картина катастрофы» (2б).

Математическая её формулировка такова: «Катастрофа – это скачкообразное изменение,

возникающее в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий».

Производится описание физических явлений, наблюдаемых в эксперименте.

Исходный научный аппарат объяснения эксперимента в терминах теории

катастроф. Эволюционный процесс упругой системы, обладающей некоторой

потенциальной энергией, описывается векторным полем в одномерном фазовом

пространстве. Точка фазового пространства задаёт состояние системы. Приложенный в

этой точке вектор указывает скорость изменения состояния. В некоторых точках вектор

может обращаться в нуль. Такие точки называются положениями равновесия, в них

состояние не меняется с течением времени. Полученная в результате эксперимента

гладкая кривая, имеющая особенность типа складки (2в), проектируется на ось значений

параметра. Таким образом, при изменении параметра выделяются особые или

бифуркационные значения параметра (2г, д). Равновесие, при котором энергия

минимальна, устойчиво. Неустойчивое равновесие хотя теоретически возможно, но

практически не имеет места, так как нарушается при малейшем воздействии извне. Если

после потери устойчивости равновесия вы наблюдаете установившийся колебательный

периодический режим, определите характер его прекращения (2е)

Практическая работа №2 «Машина катастроф»

Цель работы: построение «кривой катастроф» (табл. 3), адекватное описание и

объяснение эксперимента.

Для наглядной иллюстрации возможного теоретического моделирования сущности

катастрофических процессов изобретён ряд приспособлений, и в их числе одно из

простейших – «машина катастроф Зимана». Изображение её на таблице 3 показывает, что

она может быть легко изготовлена и испытана в простых условиях. В средней части

отрезка доски осью-гвоздиком закрепляется картонный вращающийся диск (А), на краю

которого с помощью иглы шарнирно крепится за среднюю часть резинка (В), общая длина

которой ненамного превышает два диаметра диска. Один конец резинки закрепляется

гвоздиком или иглой к краю доски (С), к другому концу резинки присоединяется

карандаш (D). С левой стороны доски крепится лист бумаги для фиксации общего

графического результата опыта. При перемещении острия карандаша по прямоугольным

траекториям параллельно контурам поля бумажного листа от края к середине картонный

22

диск приходит во вращение. При некоторых позициях в общем медленно двигающегося

карандаша и медленно вращающегося диска в общей подвижной упругой системе

23

(машины катастроф) происходит сбой режима – скачок диска в новое положение. Точки

таких срывов режима фиксируются карандашными отметками на бумаге и в целом

образуют «кривую катастроф» КК. Эта кривая имеет четыре точки возврата. При

пересечении карандашом этой кривой скачок диска происходит или не происходит в

зависимости от того, по какому пути острие карандаша обходило точки возврата КК.

Чтобы иметь возможность точно предсказать возникающее при этом поведение диска,

следует создать математическую теорию данного явления.

Состояние «машины катастроф» или, что точнее, положение острия карандаша на

листе бумаги может быть описано тремя числами: двумя координатами (так называемыми

управляющими параметрами – УП) и углом поворота диска (внутренним параметром

системы – ВП). Если все три параметра заданы, то тем самым определены степени

растяжения резинок и, следовательно, определена потенциальная энергия всей системы.

Эта энергия – функция от положения диска, иначе говоря, функция, заданная по

окружности. В зависимости от значений управляющих параметров такая функция может

иметь один или несколько минимумов (а). Если при изменении управляющих параметров

положение минимума меняется плавно, то скачка не происходит. Скачок возникает при

тех значениях управляющих параметров, для которых локальный минимум исчезает,

слившись с локальным максимумом (б); после скачка диск оказывается в положении,

отвечающем другому локальному минимуму (в).

Равновесные состояния «машины катастроф» наиболее полно отражаются в

трёхмерном пространстве и образуют в этом пространстве гладкую поверхность

равновесий. Спроектируем эту поверхность на плоскость УП вдоль оси ВП и получим в

результате складки и сборки. Кривая катастроф есть проекция точек складок. Из таблицы

понятно, почему переход управляющих параметров через линию катастроф иногда

вызывает, а иногда не вызывает скачок. Скачок зависит от того, какой части поверхности

равновесий отвечает положение диска. Понимая существо модельного рисунка, можно

сообразить, как переходить из одного места поверхности равновесий в другое место без

скачков.

Схема большинства применений теории катастроф такая же, как в описанных

практических работах 1 и 2. Например, в теории упругости и в теории опрокидывания

кораблей предсказания этой теории полностью подтверждаются экспериментами.

Источником математической теории катастроф является теория особенностей гладких

24

отображений Х. Уитни и теория бифуркаций динамических систем А. Пуанкаре и А.

Андронова. Совокупность теории особенностей и её практических приложений математик

Р. Том предложил назвать теорией катастроф и охарактеризовал её так: «В философском,

метафизическом плане теория катастроф не может принести ответа на великие проблемы,

волнующие человека. Но она поощряет диалектическое, гераклитовское видение

вселенной, видение мира как театра непрерывной борьбы между «логосами», между

архетипами». Теория катастроф, наряду с другими современными теориями, в

значительной степени изменила привычные представления среды, вызвала к жизни

качественную теорию сложных нелинейных систем.

Литература

Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Знание, 1981 (1-е изд-е);

М.: МГУ, 1983 (2-е изд-е); М.: Наука, 1990 (3-е изд-е)

Джилмор (Гилмор) Р. Прикладная теория катастроф. М.: Мир, 1984

Джилмор Р. Теория катастроф для учёных и инженеров. М.: Мир, 1983

Постон Т. , Стюарт Я. Теория катастроф и её приложения. М.: Мир, 1985

Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант: К решению парадокса времени. М.:

Прогресс, 1999

Стюарт Я. Тайны катастрофы. М.: Мир, 1987

Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и

космонавтике (проблемы, методы, решения). М.: Машиностроение, 1980

25

Практическая работа №3

Задачи по теории равновесия небесных тел

1. Вековое замедление вращения Земли приливными силами

В учебнике И.А. Михайловой и О.Б.

Бондаренко «Палеонтология» (М.: МГУ,

1997, т.1) опубликован следующий график

(рис. 4), построенный американским

палеонтологом Дж. Уэллсом (Wells, 1963) на

основании изучения под электронным

микроскопом линий роста эпитеки кораллов,

раковин двустворчатых и головоногих

моллюсков. Оказывается, в течение

фанерозоя произошло сокращение числа

дней в году от 420-425 в кембрии до 365,5 в

настоящее время. Этот факт указывает на

замедление вращения Земли вокруг своей

оси.

О том, что скорость вращения нашей планеты непостоянна, учёные догадывались и

раньше: рассчитанные вспять солнечные затмения по времени отказывались совпадать с

описаниями их в литературных памятниках древности. Сын Ч. Дарвина Джордж Дарвин,

разрабатывая теорию приливного трения, определил величину замедления вращения

Земли и Луны. Луна и Солнце катят по поверхности Земли не только волны океанских

приливов, но и вздымают гигантским сводом твёрдую земную оболочку. Сами того не

замечая, мы качаемся на твёрдой волне, дважды в сутки поднимаясь и опускаясь на

десятки сантиметров. Астрономы установили, что волна эта не поспевает за движением

Луны и как бы притормаживает Землю.

На двести лет растянулась

вереница гипотез, предположений,

догадок о замедлении вращения Земли,

Луны, Солнца. А несовершенные

земные часы не могли напомнить

учёным, что эти догадки и расчёты –

факт, до поры до времени не

обнаруженный. Продолжительность

суток, определяемая астрономами как

промежуток времени между двумя

прохождениями определённой звезды

через меридиан обсерватории, считалась строго постоянной и не подвергалась сомнению

до тех пор, пока в 1936 году Стойко из парижского международного бюро времени не

определил вариации суток зимой и летом в две тысячные доли секунды. С помощью

современных высокоточных кварцевых и молекулярных аммиачных часов найдено, что

сутки удлиняются на нашей планете в среднем на 0,0015 секунды в столетие.

Задача 1. Пересчитайте с графика Дж. Уэлса изменение параметра числа дней в

году по геологическим периодам в изменение продолжительности земных

суток Р (час). Полученные в результате расчёта числа поставьте на новый

график в координатах Р, Т (рис. 5).

Используйте для самопроверки результата принятый астрофизиками

средний темп удлинения продолжительности суток на Земле. Определите,

на сколько часов удлинились сутки за время существования Земли.

Рис. 4

Рис. 5

26

Литература

Бялко А.В. Наша планета – Земля. М.: Наука, 1983

Куликов К.А. Вращение Земли. М.: Недра, 1985

Михайлов А.А. Земля и её вращение. М.: Наука, 1984

Михайлова И.А., Бондаренко О.Б. Палеонтология, Ч. 1, 2. М.: изд-во МГУ, 1997

Неравномерность вращения Земли. М.: изд-во АН СССР, 1954

Николов Т.Г. Долгий путь жизни. М.: Мир, 1986

Перцев Б.О. О вековом замедлении вращения Земли // Физика Земли, 2000, № 3, с. 35-39

2. Фигура нашей планеты и её перемены

Во времена Древней Греции Эратосфен

впервые определил длину окружности и радиус

Земли по схеме, показанной на рис. 6. В тот день

и час, когда Солнце стояло над Сиеной точно в

зените, Эратосфен измерил α. Полагая α =α΄ и

зная расстояние между городами, учёный

определил R

= 250 000 стадий при длине стадии

157,7 м.

Ньютон первым рассчитал величину сжатия Земли, находящейся в состоянии

равновесия в поле центробежных и гравитационных сил. В 1686 г. в своей знаменитой

книге «Математические начала натуральной философии» Ньютон писал о том, что равный

Земле свободный объём жидкости принимает при суточном вращении точно такую

форму, какой обладает наша на первый взгляд монолитная каменная планета. И около

полувека спустя, подводя итоги двум большим геодезическим экспедициям, участник

одной из них академик Клеро сказал, что называя Землю жидкой Ньютон в сущности был

прав.

Принимая форму Земли не

новоприобретённой, а унаследованной

от прошлого, Клеро добавил к

ньютоновским силам всемирного

тяготения влияние сил внутреннего

трения земного вещества. Учёный

нашёл уравнение, связывающее

сплюснутость Земли, скорость её

осевого вращения и строение недр.

Математики Лагранж и Лаплас

сформулировали проблему

устойчивости фигур равновесия

небесных тел. Авторами развёрнутых

теорий звёздных и планетных

равновесий стали такие выдающиеся

математики как К. Маклорен, С.

Ковалевская, П. Чебышев, Д. Дарвин и

многие другие. Немало новых разделов высшей математики обязано своим рождением

этой проблеме. Оказывается, несмотря на кажущуюся монолитность земного шара, его

внешние очертания перед чередой планетного времени далеко не незыблемы и не

произвольны.

В последней четверти XIX века Е. Быханов доказывал уплотнение глубинного

вещества Земли при замедлении суточного вращения планеты. Московский физик Л.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

27

Лейбензон, начавший строгое математическое исследование земных недр по совету

профессора Н. Жуковского, в 1900 г. рассчитал прочность верхней оболочки Земли и

предсказал периодическое образование глубинных разломов коры, открытых геологами

лишь несколько десятилетий спустя.

Задача 2. Опираясь на данные графика Д. Уэллса и пользуясь формулой Симпсона

h max =

f2

2

= 0,224,

где – скорость вращения небесного тела, с

1 ,

– средняя плотность планеты, 3см

г ,

постройте график зависимости плотности Земли от её возраста (рис. 7).

Принимая массу планеты постоянной, рассчитайте график изменения радиуса

Земли (рис. 8).

Литература

Аппель Т. Фигуры равновесия вращающейся однородной жидкости. Л.-М.: ОНТИ, 1936

Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1977

Берри А. Краткая история астрономии. М.-Л.: ОГИЗ, 1946

Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975

Каттерфельд Г.Н. Лик Земли. М.: Географгиз, 1962

Паннекук А. История астрономии. М.: Наука, 1966

3. Ускорение силы тяжести и вращение Земли

Научные сотрудники нефтяного

научно-исследовательского института в

Петербурге Л. Смирнов и Ю. Любина в

течение многих лет обеспечивали

нефтяников информацией о направлениях

течений древних рек, переносивших в свои

дельты нефтематеринское вещество. В поле

зрения учёных оказались многочисленные

статистические данные о захоронениях

своеобразных индикаторов направлений

речных течений – профилях так называемых

поперечных песчаных гряд. Крутизна

наступающего свободно

осыпающегося откоса песчаной гряды

определяется величиной ускорения

силы тяжести на земной поверхности.

Фиксируя углы естественных откосов

песчаных гряд в палеопустынях, на дне

древних рек и морей Смирнов и

Любина обнаружили углы свободных

осыпей гораздо большие, чем

известные ныне (рис. 9). Закономерный характер уменьшения углов естественных откосов

песчаных гряд свидетельствует о вековом росте на Земле ускорения силы тяжести.

Рис. 10

Рис. 9

28

Задача 3. Воспользовавшись расчётами векового сокращения земного

радиуса, выполненными при решении задачи 2, определите вековые

изменения ускорения силы тяжести в зависимости от возраста Земли

(рис. 10). Расчётная формула: fg 2R

m.

Ещё одним интересным пустынным

феноменом планетного характера и

значения являются движущиеся камни

(«бродячие» валуны), наблюдаемые на

дне высохшего озера Рестрек-плайя в

Калифорнийском национальном

заповеднике (США). Скольжение

камней (весом до 500 кг) по

скользкому соляному субстрату

происходит в периоды наибольшего

торможения вращения Земли или в

случае быстрых смещений земных

геоблоков.

Литература

Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз

В.И. Курс общей астрономии. М.:

Наука, 1977

Гудович А. Движущиеся камни

Долины смерти // Всемирный

следопыт, 2003, №4, с. 50-51

Смирнов Л.С., Любина Ю.Н. О

возможности изучения изменения

силы тяжести с геологическим

временем // Доклады АН СССР,

геология, 1969, т. 187, №4, с. 874-877

29

4. Палеомагнетизм о вековом сжатии Земли

Палеомагнетизм – молодая наука, сумевшая за короткий срок воссоздать историю

магнитного поля Земли. Стало известно, что все времена невидимое поле планеты

оставляло в земной коре как бы вросшие в камень маленькие компасные стрелки –

крошечные ферромагнитные частицы. Даже в так называемых геологических немых

толщах – горных породах без всяких растительных и животных остатков – магнитологи

нашли застывшие на века строго ориентированные магнитные частицы. Все они

указывают на полюс, полюс того времени, когда образовалась порода. Так как возраст

большинства отложений геологами определён довольно точно, то по измеренным

направлению и силе остаточной намагниченности для всех геологических периодов были

вычислены положения северного полюса. Так появились первые палеомагнитные карты

континентов, на которых были обозначены полюса тех времён. Положения палеополюсов

для того или иного континента на протяжении многих геологических периодов

образовывали на современной карте

криволинейные траектории,

сходящиеся к нынешнему северному

полюсу (рис. 11а).

Наблюдаемое расположение

траекторий полюса может быть

объяснено как свидетельство векового

сокращения земной коры. Вследствие

общего уменьшения радиуса Земли при

одном и том же расстоянии между

принятыми точками-реперами угол

между магнитными меридианами

увеличивается. По весьма

распространённой методике

палеомагнитных построений

магнитные палеомеридианы наносятся

на поверхность не древней, а современной тектоносферы, и в результате древние полюса

оказываются в стороне от нынешнего на величину сокращения земного меридиана

вследствие сжатия планеты (рис. 11б).

Задача 4. Исходя из рассчитанного ранее темпа векового сжатия Земли, рассчитайте

положения магнитных полюсов для разных геологических периодов и

поставьте соответствующие отметки на рисунок 11а.

Литература

Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Палеомагнитный анализ. Казань: изд-во Казан.

ун-та, 1986

Короновский Н.В. Магнитное поле геологического прошлого Земли // Соровский

образовательный журнал, 1996, №6, с. 65-73

Нагата Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965.

Палеомагнитология / Под ред. А.Н. Храмова. Л.: Недра, 1982

Яновский Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965

Рис. 11

30

Тема: Моделирование Земли, литосферы

и основных структур земной коры

На рубеже XVI и XVII веков английский физик У. Гильберт сделал модель

магнитного поля нашей планеты. Модель Земли – стальной намагниченный шар – он

назвал Тереллой, то есть маленькой Землёй. Помещая около Тереллы компас, учёный

впервые в мире убедительно доказал, что наша планета представляет собой большой

магнит. Моделируя тепловую историю Земли, постепенно остывающей из некогда

расплавленного состояния, французский учёный Ж. Бюффон отливал в литейной

мастерской чугунные шары и регистрировал время и температуру их остывания. Итогом

этих экспериментов были новые суждения Бюффона о возрасте Земли, суждения гораздо

более обоснованные, чем все предыдущие.

От относительно простых моделей исследователи Земли и литосферы постепенно

переходили ко всё более сложным модельным конструкциям. В двадцатые годы прошлого

столетия появилась первая сейсмическая модель континентальной земной коры с

гранитным и базальтовым слоями. В настоящее время развивается представление о

множественности сейсмических границ – спокойнозалегающих, крутонаклонных и

субвертикальных. Разрабатываются также химические модели земной коры.

В 60-е годы ХХ века для объяснения мезозойско-кайнозойской истории

океанического дна была предложена концепция тектоники инертных литосферных плит с

активными границами. Вскоре основные положения этой концепции были перенесены в

континентальную геологию.

На протяжении последних десятилетий математически моделируются разнообразные

геокосмические и планетарные, глобальные связи, строятся «мировые модели»

универсального значения. Материалы о построении таких обобщающих синтетических

конструкций систематизированы Н.Н. Моисеевым в модели так называемой «ядерной

зимы». По мнению учёного, эвристическая ценность модели состоит не только в её

способности воспроизвести изучаемое явление, но и в предсказании с её помощью новых

фактов. «Для того, чтобы построить модель, обладающую широкими возможностями

прогноза, необходимо прежде всего использовать общие законы. Они позволяют

максимально уменьшить использование статистических методов, которые в современных

условиях быстрого изменения характеристик изучаемых процессов бывают не очень

надёжны. В физике такими законами являются законы сохранения массы, импульса и т.д.»

При строгом применении закона сохранения импульса к солнечной системе

оказалось возможным объяснить казалось бы парадоксальную астрономическую

ситуацию: почему современное Солнце в 745 раз тяжелее окружающих его планет, но

имеет лишь полпроцента вращательного момента всей системы. Очень своеобразным

путём в решении этого парадокса пошёл К.Э. Циолковский. Учёный обосновал

концепцию существования векового перераспределения вращательного момента от

Солнца к планетам благодаря постоянному действию приливообразующих сил. По

мнению Циолковского, планеты были рождены Солнцем, то есть отделились от солнечной

поверхности в результате частичного распада некогда переуплотнённого светила.

Первоначальные планеты, или протопланеты, имели лишь отдалённое сходство с

нынешними: размеры их были гораздо большими, плотность – невелика и, в общем,

одинакова для всех планет, да и период суточного вращения был также практически

одинаков. И что самое важное в концепции Циолковского: сумма вращательных моментов

таких последовательно вычисленных протосолнца и протопланет оказалась в точности

равной сумме моментов всех тел современной солнечной системы (рис. 12).

На какие же наблюдаемые факты опирались на первый взгляд «абстрактные»

расчёты Циолковского? Учёный сам же писал о том, что процесс векового уплотнения

Солнца и планет пока ещё нельзя разглядеть ни в какие самые современные телескопы.

31

Расширение планетных орбит, замедление вращения планет и Солнца во времена

космогонических расчётов Циолковского тоже представлялись очень спорными. Иначе

говоря, остро дискуссионными оказались все составные части постулируемого

Циолковским сложного космического явления – перераспределения вращательного

момента от Солнца к планетам.

И в то же время вычисления Циолковского давали не какие-нибудь приближённые, а

вполне конкретные эволюционные параметры планет, например, вековое увеличение

продолжительности суток на Земле – 0,000015-0,000013 секунд в год, рост ускорения

силы тяжести на земной поверхности – 0,00 000 012-0,00 000 016 сантиметров в секунду

за секунду, вековое уменьшение радиуса Земли – 0,0009-0,0019 метра в год. Четвёртая,

пятая, седьмая значащие цифры после запятой! Доступны ли вообще такие планетные

перемены астрономическим и геологическим наблюдениям?

Однако прошло только несколько десятилетий после этих расчётов Циолковского, и

специалисты различных отраслей естествознания в своих статьях и монографиях смогли

записать такие полученные из наблюдений цифры: вековое увеличение

продолжительности суток на Земле – 0,000014-0,000023 секунды в год, рост ускорения

силы тяжести на земной поверхности – 0,00 000 015 сантиметров в секунду за секунду,

вековое уменьшение радиуса планеты – 0,001-0,0015 м в год. Что же произошло в

геологии и астрономии за полвека, минувшие с тех пор, когда Циолковский завершил

свои космогонические расчёты? Служба времени получила в распоряжение высокоточные

молекулярные и атомные часы. Палеонтологи освоили электронные микроскопы,

Рис. 12. Характеристики солнечной системы в период рождения планет и в настоящее время.

Космогоническая концепция К.Э. Циолковского доказывает на примере эволюции солнечной

системы справедливость общего закона сохранения импульса в самых различных по масштабам

космических образованиях

32

позволившие открыть совершенно новые, необычайно подробные геологические

календари. В каменной летописи Земли геологи обнаружили точные индикаторы векового

изменения силы тяжести на поверхности нашей планеты.

Словно бы предвосхищая расчёты Циолковского, писал в своё время известный

американский физик Р. Вуд: «Неоткрытые законы природы скрываются ныне за седьмым

знаком после запятой». Н.Н. Моисеев, подчёркивая важность использования при

построении модели общих законов природы, обращал внимание исследователей на

критерий «минимальности» системы моделей. Именно такая система базовых моделей

способна служить отправным пунктом результативных исследований в самых сложных и

запутанных проблемных ситуациях.

Литература

Моисеев Н.Н. Динамика биосферы и глобальные модели (концепции и проблемы) // Число

и мысль, в. 5. М.: Знание, 1982, с. 56-113

Моисеев Н.Н. Проблемы построения «мировой модели» // Число и мысль. М.: Знание,

1977, с. 139-175

Моисеев Н.Н. Расставание с пустотой. М.: Аграф, 1998

Моисеев Н.Н. Человек, среда, общество. Проблемы формализованного описания. М.:

Наука, 1982

Моисеев Н.Н. Экология человечества глазами математика: человек, природа и будущее

цивилизации. М.: Молодая гвардия, 1988

Понько В.А. Моделирование геокосмических связей в системе «Экопрогноз» // Большая

медведица. 2000, т. 1, с. 64-65

Резанов И.А. История геотектонических идей. М.: Наука, 1987

Резанов И.А. Эволюция представлений о земной коре. М.: Наука, 2002

Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Издание

журнала «Россия молодая», 1994

Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР. М.: Наука,

1980

Контрольные вопросы:

1. Дайте характеристику метода моделирования

2. Как строятся имитационные математические модели?

3. Как вы понимаете устройство и функционирование ЭВМ по отношению к

математическому моделированию в геологии?

4. Какова история развития сейсмических моделей земной коры?

5. Расскажите об основных моделях динамики земной коры в концепции тектоники

плит

6. Как формулируются критерии отличия химических моделей земной коры?

7. Каковы критерии эвристической ценности модели?

8. Что подразумевают математики под единой системой моделей?

9. Назовите авторов первых работ по глобальному моделированию

33

Практическая работа №4. Использование теории графов

при анализе моделирования сжимающейся Земли

В середине ХХ века американский геолог В. Бухер создал для проверки

концепции сжимающейся Земли тонкостенный плексигласовый шар с наполнением из

затвердевающего и сокращающегося в объёме вещества – кастолита. На плексигласовой

оболочке, деформированной при застывании и сжатии кастолита, появилась система

трещин, похожих по форме на главные горные системы Земли и её подвижные сдвиговые

зоны. Однако автор эксперимента с огорчением отметил: «…физической теории, с

помощью которой можно было бы подсчитать количество и распределение трещин

сморщивания, возникающих при данных условиях в оболочке шара, как будто ещё не

существует». Вскоре же выяснилось, что искомая теория существует: создал её ещё в 1736

г. петербургский академик Л. Эйлер, и называется она теорией графов.

Американский исследователь А. Уэбб впервые применил эту науку к решению

задачи происхождения марсианских «каналов», поскольку карта красной планеты –

настоящий граф: «оазисы» – узлы графа, «каналы» – рёбра графа. Легко подсчитать, что

половина узлов Марса имеет четвёртый порядок, то есть к этим узлам подходят четыре

канала, на втором месте узлы третьего порядка, их почти пятая часть. Вывод Уэбба:

«Марсианская сеть каналов оказалась явно коммуникационного типа». Спектр

исследований и результаты показаны на таблице 4.

Теперь перейдём к нашей практической работе. Цель её – моделирование

трещинных структур на сжимающейся терелле, поэтапный анализ систем трещин с

помощью теории графов. Оборудование: наполненный воздухом резиновый шар,

покрытый парафиновой плёнкой. Методика выполнения работы: при постепенном

выпускании воздуха из шара производится фотофиксация формирующейся системы

трещин (табл. 5), ведётся подсчёт общего числа узлов разных порядков и заполняется

табличка 5г процентного содержания разнопорядковых узлов в системах на фотографиях

(5 а, б, в).

Сравните свои результаты с полученными А. Уэббом (табл. 4). О том, что в

тектоносфере нашей планеты могут быть высокопорядковые узлы разломообразования

свидетельствуют примеры радиального расположения хребтов в горных системах. Зная,

что каждый земной хребет в своей истории связан с глубинными разломами, подсчитайте

порядки горных узлов в примерах на табл. 6. Независимо от того, каких геотектонических

концепций придерживались в своих выводах отечественные геологи, их выводы по

типовым моделям тектоносферы подтверждают подчинённость типовых тектонических

структур полям напряжений сжатия (табл. 7). Общая картина развития возможных

деформаций сжимающейся земной коры показана в нижней части таблицы 7.

Литература Арсеньев К. Тайна глобальных трещин // Техника – молодёжи, 1969, № 11, с. 27-29

Болтянский В.Г., Ефремович В.А. Очерк основных идей топологии // Математическое

просвещение. Вып. 2,3,4,6, 1957-1961

Саркисян А.А., Колягин Ю.М. Познакомьтесь с топологией. М.: Просвещение, 1976

34

35

36

37

Практическая работа №5. Геомеханика – наука о механических состояниях

земной коры. Моделирование тектонических структур,

возникающих при вековом сжатии планеты

Цель работы: продемонстрировать в эксперименте сложный механизм

образования надвиговых структур в земной коре, обучить навыкам распознавания и

анализа надвигов на тектонических и других картах.

Оборудование: плоский деревянный ящик с одной стеклянной съёмной и одной

подвижной стенкой, модельная песчано-глинистая или иная подходящая для

эксперимента слоистая среда.

Методика проведения эксперимента. После создания на дне ящика модельной

среды подвижная стенка ящика постепенно переводится из начального положения в

положение, близкое к вертикальному. Фиксируется на поверхности модельной среды в

ящике распространение разнопорядковых кулисно замещающих друг друга

разнообразных складок, а затем сколов чешуйчатого характера, как показано в плане на

рис. 12 и в разрезе на рис. 13.

Очевидно, что данные верхней части таблицы 7 не только не расходятся с

наблюдениями в проведённом эксперименте, но и подтверждают полностью подобие

модельных структур структурам реальных геологических тел.

Вопросы самоподобия всех «кирпичиков» литосферы, поиск универсальной формы

основных геоструктур давно уже занимают геологов. Какой бы уровень тектонических

деформаций мы бы ни рассматривали – местный, локальный, региональный, планетарный,

глобальный – всюду мы видим сходные, но весьма трудно расшифровываемые

деформации, осложнённые везде и всюду разнообразными иной природы факторами

разного уровня.

Тем не менее, можно уверенно утверждать, что самоподобие всех главных

тектонических структур Земли неизбежно следует из устойчивой вековой направленности

развития планеты на протяжении миллиардов лет истории планеты. Поскольку различные

особенности этого процесса были проанализированы в предыдущих практических работах

данного учебного пособия, можно представить образ самоподобного геотектонического

процесса схемой в нижней части таблицы 7. Сравнение и анализ рисунков 7б и 7в

показывает, насколько всеобъемлюще самоподобие таких универсальных тектонических

структур, как сегменты разноглубинного скалывания. Естественно, что в ходе эволюции

сжимающейся Земли при накоплении очередной порции тектонических напряжений

разломные деформации происходят не по всему круговому основанию сегмента, а лишь

Рис. 13 Рис. 14

38

39

на одном из участков круга. За длительную историю Земли многократно менялось

положение активизированных участков возможных кругов деформаций. Каждый такой

активно проявивший себя участок на схемах 7б и 7в можно назвать региональным

надвигом. Встречные надвиги образуют относительно независимые от остальных

участков тектоносферы тектонические клинья, которые при вековом сжатии соседних

участков литосферы выжимаются на земную поверхность и постепенно разрушаются так

называемыми денудационными процессами.

Имея в виду всё многообразие размеров тектонических клиньев, профиль земной

литосферы можно представить как совокупность плотно встроенных друг в друга

разнопорядковых тектонических клиньев.

Глубинные разломы, изображённые на предельно обобщённых схемах 7б и 7в,

показаны прямыми линиями. В реальных условиях литосферы наклонная сколовая

поверхность регионального надвига при подходе к земной поверхности становится всё

более криволинейной. На таблице 8 показаны этапы заложения регионального надвига и

позиции его развития в условиях аналогичного встречного надвига.

40

Практическая работа № 6. Задачи по тектонике плит

и фрактальной геометрии литосферы

Тектоника плит – сравнительно молодая наука, впервые отчётливо

сформулированная и прозвучавшая во всеуслышание на 23-м международном

геологическом конгрессе в 1968 году. Земная кора, согласно ведущей концепции

тектоники плит, состоит из перемещающихся по астеносфере глобальных плитообразных

структур, взаимодействующих одна с другой по принципу раздвига или надвига (рис. 14).

Анализ

разобранных в

данном учебном

пособии схем

тектоносферы

Земли позволяет

вычленить

элементарные

составные части

(«кирпичики»)

плитных структур

не только в

профилях земной

коры (как это

сделано в нижней

части таблицы 7),

но и в плановых

очертаниях плит.

Если профильный

облик

элементарной

структурной

ячейки Земли –

разнопорядковый тектонический клин – стал уже понятен, то плановые очертания этих

клиньев требуют дополнительного пояснения.

Обратимся ещё к одной молодой области знания, к фрактальной геометрии,

являющейся разделом фрактальной математики или теории фрактальных множеств.

Фрактал с математической точки зрения – это множество с дробной размерностью.

Фракталы повторяют в малом масштабе картину целого, единообразно устроены в

широком диапазоне масштабов. У фрактала отсутствует выделенный размер, который

можно было бы использовать в качестве естественного эталона длины. От традиционных

объектов классической геометрии фракталы отличает особенность самоподобия –

наиболее важная из встречающихся в природе симметрий. В элементарных структурах

литосферы фрактальность обычно не проявляет себя отчётливо, она прячется в хаосе

случайной статистики. Но при выявлении основных причин единства фрактальной сети

дешифрируемость фрактальных систем и их отдельных точек значительно облегчается.

Механизм и кинематику фрактального дробления литосферы в конечном итоге

определяет планетарная система тектонических напряжений и деформаций. В рамках этой

системы, как мы уже выяснили из анализа таблицы 7, элементарным деформационным

объёмом является тектонический клин, а элементарной плановой формой этого клина на

земной поверхности является «чечевица», то есть фигура криволинейной поверхности с

формой зерна чечевицы или симметричного древесного листа.

Рис. 15. Традиционное изображение тектоники плит

Крупные плиты: Аф – Африканская, Ам – Американская, АН –

Антарктическая, Ев – Евразийская, Ин – Индийская, То – Тихоокеанская

Мелкие плиты: Эг – Эгейская, Ар – Аравийская, Ка – Карибская, На –

Наска, Фи – Филиппинская, Ту - Турецкая

41

Специфика глобальных тектонических деформаций Земли позволяет вычленить

следующую иерархическую систему основных структурных единиц литосферы: глыбы –

плиты – тектонические пластины. Глыбы – основные наиболее крупные структурные

элементы земной коры, в плане они имеют форму чечевицы, или корабля. Глыбы земной

коры можно сравнить с ледоколом, корпус которого выполнен с такими криволинейными

обводами, чтобы при сжатии ледяного поля корабль не деформировался, а выжимался на

поверхность. Плиты уступают глыбам по массе и размерам, но иногда превосходят их по

ширине. Активные глыбы можно назвать главными движителями плит, которые в

сущности обрамляют глыбы. О тектонических пластинах в пособии говорилось раньше.

Механизм их происхождения и эволюции таков же, как и у плит, но тектонические

пластины имеют на порядок меньшие размеры и возникают из осадочных толщ

предгорных прогибов.

На таблице 9 (а и б) показаны некоторые приёмы выделения плановых

ограничений глыб земной коры. На схеме 9а критерием для выделения глыбы послужили

картографические данные по областям распределения пустынных почв и атмосферных

осадков в пустынях восточного полушария. На схеме 9б естественным ограничением

арктической глыбы являются горное оледенение Гренландии, плавучие льды Северного

Ледовитого океана над Землёй Гарриса и области вечной мерзлоты на северо-востоке

Евразиатского материка, выделенные по геоботаническим данным (ареал кедрового

стланика и др.).

На таблице 10 (а, б, в) изображены взаимоотношения глыб на земной поверхности

посредством взаимодействия обрамляющих их плит. Схема 10в позволяет использовать

очертания частей древних материковых массивов для реконструкции глыбовых

ограничений. Схема на рис. 15 иллюстрирует расположение тектонических пластин на

территории Пермского Прикамья.

Задание для самостоятельной работы. Пользуясь схемой речной сети Верхнекамья

(рис. 16), найдите и обозначьте контурами элементарные структуры земной коры этого

региона. Чтобы облегчить работу воображения, вначале нарисуйте линии главных и

второстепенных водоразделов, а затем внимательно изучите их рисунок.

Литература

Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск, 2001

Жиков В.В. Фракталы // Соросовский образовательный журнал, 1996, № 12, с. 109-117

Журавлёв В.И., Лукк А.А., Сидорин А.Я., Рыжкова Т.В. Фрактальные характеристики

множеств сейсмических событий при учёте фактора времени // Физика Земли,

2001, №3, с. 34-46

Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических

полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М., 1996

Пайтген Х.О., Рихтер П.К. Красота фракталов. М.. 1993

Турбин А.Ф., Працевитный Н.В. Фрактальные множества, функции, распределения. Киев,

1992

Федер Е. Фракталы. М., 1991

Цицицн Ф.А. Вселенная фракталов // Земля и Вселенная, 1997, № 6, с. 13-25

Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Ижевск, 2001

42

43

44

45

46

Тектоническое районирование Пермской области

Условные обозначения

Структуры второго порядка (валы)

1. – Джуричский

2. – Кольчужский

3. – Ксенофонтово-Колвинский

4. – Чердынский

5. – Вижаихинский

6. – Тулпанский

7. – Пырам-Бужуйский

8. – Сыпучинско-Грязнушинский

9. – Быркимский

10. – Пильвенский

11. – Нылобский

12. – Усольский

13. – Дубровский

14. – Бруснянско-Могильниковский

15. – Красновишерский

16. – Колчимский

17. – Соликамский

18. – Крутоложско-Берёзовский

19. – Вижаихинско-Немыдский

20. – Ветосско-Раскетовский

21. – Песчанский

22. – Чикмано-Велгурский

23. – Усть-Кадинский

24. – Багайский

25. – Кочёвский

26. – Булатовский

27. – Кудымкарский

28. – Пикановско-Пятигорский

29. – Слудский

30. – Чёрмозский

31. – Майкорский

32. – Лемзерский

33. – Касибский

34. – Городищенский

35. – Белопашнинский

36. – Чёлвинский

37. – Всеволодо-Вильвенский

38. – Мальцевский

39. – Главный Кизеловский

40. – Центральный Кизеловский

41. – Дубовогорско-Ларионовский

42. – Пономарёвско-Коньковский

43. – Верещагинский

44. – Павловский

45. – Карагайско-Высокинский

46. – Воскресенский

47. – Оханский

48. – Васильевский

49. – Краснокамский

50. – Березниковский

51. – Пермский

52. – Ординско-Пестеревский

53. – Кунгурско-Сафоновский

54. – Очёрский

55. – Москудьинско-Берёзовский

56. – Маркетинский

57. – Еловский

58. – Гондыревско-Меркушинский

59. – Быркинско-Нытвенский

60. – Осинский

61. – Кулигинско-Лобановский

62. – Чекурско-Краснокамский

63. – Белоусовско-Краснокамский

64. – Мазунинско-Козубаевский

65. – Калининский

66. – Троельжанско-Талицкий

67. – Берёзовский

68. – Юрканско-Вязовский

69. – Тулумбасовский

70. – Шумовской

71. – Владимирский

72. – Гожанский

73. – Ножовский

74. –Аряжский

75. – Батырбайский

76. – Татышлинско-Курашимский

77. – Чернушинский

78. – Есаульско-Мазунинский

79. – Таныпский

80. – Григорьевский

81. – Уинский

82. – Кунгурский

83. – Веслянский

84. – Октябрьский

85. – Андовско-Липинский

86. – Шуртанско-Терсинский

47

48

Тема: Инженерная геология и реология о полях напряжений

и формировании разрывов в земной коре Основные понятия:

Инженерная геология – это наука о свойствах и динамике геологической среды, её

рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего

инженерно-строительной деятельностью человека. Изучает инженерная геология горные

породы (грунты) и почвы, природные и антропогенные геологические процессы и

явления, строение и свойства геологической среды определённой территории.

Реология – наука промежуточная между гидромеханикой и теорией упругости и

рассматривающая процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и

течением вязких и пластичных материалов, горных пород.

Прессиометрия – полевой метод оценки деформационных и прочностных свойств

песчаных, глинистых и скальных грунтов, вскрытых в шурфах и стенках буровых

скважин, путём приложения к ним давления и измерения деформаций.

Инженерно-геологическое опробование горных пород – это комплекс

последовательных операций по определению состава, состояния и свойств пород (рис. 18).

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в твёрдом теле вследствие

действия и приложенных к нему внешних сил.

Напряжение допускаемое – нормативная величина, устанавливаемая по данным

опыта, и равная отношению предельного (разрушающего) напряжения для данного грунта

к принятому запасу прочности (синоним: нагрузка предельная).

Предел прочности породы – наибольшее напряжение, при котором горная порода

разрушается или имеет недопустимую величину деформации.

Поле тектонических напряжений – суммарное состояние напряжений, вызванных

деформирующими усилиями, приложенными к горной породе.

Нагрузка разрушающая – давление, превышающее предельное сопротивление

грунта. Соответствует наступлению фаз сдвигов и выпирания грунта из-под штампа.

При инженерно-геологической разведке участков предполагаемого строительства

ответственных сооружений проводятся испытания статической нагрузкой с помощью

штампов и прессиометров. Схемы некоторых из этих испытаний показаны на табл. 12. В

процессе опытов нагрузку увеличивают ступенями до стабилизации осадки от каждой

ступени нагрузки. Считается, что стабилизация достигнута в том случае, если приращение

осадки за одни сутки не превышает 1 мм.

Литература

Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 2005

Вознесенский Е.Ф. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный

журнал, 1998, №2, с.101-108

Короновский Н.В. Напряжённое состояние земной коры // Соросовский образовательный

журнал, 1997, №1, с. 50-56

Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. М.: Наука, 1991

Морозов Н.Ф. Математические вопросы механики разрушения // Соросовский

образовательный журнал, 1996, №8, с. 117-122

Напряженно-деформированное состояние массивов пород в районах с горным рельефом.

Фрунзе: Илим, 1987

Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород: Сб. науч. тр.

Новосибирск, 1988

Напряженное состояние земной коры. М.: Наука, 1973

Осокин Д.Н. Моделирование тектонических полей напряжений, обусловленных

разрывами и неоднородностями в земной коре. Экспериментальная тектоника. М.:

Наука, 1989, с. 163-197

Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. М.: Наука, 1972

49

50

51

Поле напряжений и деформаций в земной коре: Сб. ст. М.: Наука, 1987

Поле напряжений и деформаций в литосфере: Сб. ст. М.: Наука, 1979

Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997

Рейнер М. Десять лекций по теоретической реологии. М.-Л., 1947

Рейнер М. Деформация и течение. Введение в реологию. М., 1963

Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965

Родионов В.Н. Очерки геомеханики. М.: Научный мир, 1996

Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986

Соболев Г.А., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки и

предвестников землетрясений. М.: Наука, 1988

Шалина О.Г., Понятовская В.И. Модельные исследования неоднородных и трещиноватых

сред. М.: ИФЗ РАН, 1993

Юнга С.Л. Методы и результаты исследований сейсмотектонических деформаций. М.:

Наука, 1990

Контрольные вопросы:

1. Изложите классификацию грунтов с позиций грунтоведческой науки

2. Как определяются основные показатели свойств грунтов?

3. Дайте характеристику инженерно-геологических исследований для

строительства

4. Назовите стадии инженерно-градостроительных изысканий для

градостроительных работ

5. Укажите последовательность операций, выполняемых в процессе инженерно-

геологического опробования

6. Каковы основные методы полевых исследований свойств горных пород при

проведении инженерно-геологических работ?

52

Практические работы №7 и 8.

Прессиометрия. Испытания

прочности грунтов,

выполняемые при проведении

инженерно-геологических

работ

Работа № 7. Метод

обрушения целиков пород. На рис.

18 изображена схема установки для

обрушения целиков породы в

шурфах. После обрушения целика в

масштабе 1/5 или 1/10 строится

кривая обрушения. Целик

разбивается на блоки и составляется

уравнение равновесия.

Аналогично строится кривая

обрушения для второго

обрушенного целика породы. В

результате двух испытаний

получают систему уравнений:

n n

ACfNT1 1

1.

n n

ACfNT1 1

2 ,

где N – нормальное давление;

T – сдвигающее усилие;

F – коэффициент внутреннего

трения;

С – сцепление;

А1 и А2 – площади поверхностей

скольжения первого и второго

целиков.

Решив систему уравнений, получают

значения параметров прочности С и

f = tg φ.

Рис. 19. Установка для обрушения целика в

шурфе

А – схема установки; 1 – нажимной винт; 2 –

упорная балка; 3 – динамометр; 4 – штамп; 5

– целик породы; б – схема усилий,

развивающихся при обрушении призмы

грунта

53

Работа № 8. Выпирание призм пород. Научно-исследовательским институтом по

строительству в г. Екатеринбурге разработан метод выпирания призмы в шурфе.

Схема испытаний прочности грунтов таким образом показана на таблице 13.

В ходе испытаний по динамометрам отмечают: а) максимальное усилие в

момент сдвига G max; б) минимальное усилие, отвечающее перемещению сдвинутой

призмы по поверхности скольжения. Результаты испытаний заносят в журнал

примерно следующей формы:

Ном

ер ш

урф

а

Крат

кое

оп

и-

сан

ие

пород

ы

Отм

етка

по

-

вер

хн

ост

и п

ри

змы

Размеры, м

Усилия, регистрируемые

динамометрами, m

Схема выпирания

и координаты

поверхности

скольжения

При

меч

ани

я

Н А В при сдвиге

при пере-

мещении

призмы

1 се-

че-

ние

2

се-

че-

ние

3

се-

че-

ние I II I II

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

После сдвига призмы породу осторожно снимают и обнажают поверхность

скольжения. В трёх сечениях замеряют координаты поверхности скольжения,

вычисляют их средние значения, по которым на миллиметровке в выбранном

масштабе строят сечение сдвинутой призмы с поверхностью скольжения. Если не

удалось измерить координаты поверхности скольжения, то принимается такое

положение, при котором сдвиг произошёл по круглоцилиндрической поверхности

скольжения, проходящей через точки M, N и какую-либо точку К, координаты

которых удалось определить.

Сечение сдвинутой призмы разбивают на блоки и для призмы составляют

условие предельного равновесия

n

i

n n n n

iiiiiiii lCggG

Ptggg

G

P

11 1 1 1

cossinsincos ,

где Р – усилие сдвига, отнесённое к единице длины призмы

А

смGР

1max ;

gi – масса блока;

n

igG1

;

tg – коэффициент внутреннего трения;

С – сцепление;

li – длина дуги поверхности скольжения в пределах блока.

Сцепление определяется по разности усилий сдвига Р и перемещения Рi

L

PPC 1 ,

где

.

,1min

1

ilL

А

смGP

Коэффициент внутреннего трения tg определяется по формуле

54

55

1

11

1 1

cossin

sincos

PPggG

P

ggG

P

tgn

ii

n

ii

n n

iiii

Результаты вычислений можно расположить в виде таблицы (табл. 14)

Р,

кгс Р1, кгс

Номер

блока

g,

кг

l,

см

α,

град sin α cos α g·sin α g·cos α

При-

ме-

ча-

ния

g1

g2

gi

gn

l1

l2

li

ln

g1·sin α1

g2·sin α2

gi·sin αi

gn·sin αn

g1·cos α1

g2·cos α2

gi·cos αi

gn·cos αn

n

igG1

n

ilL1

n

iig1

sin n

iig1

cos

Литература

Ананьев В.П., Коробкин В.И. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1973

Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология. М.: Высш. шк.,

1980

Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 2000

Белый Л.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1985

Геологический словарь. Т.1,2. М.: Недра, 1978

Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-

геологических целях. М.: Наука, 1966

Денисов Н.Я. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1960

Дранников А.М. Инженерная геология. Киев: Госстройиздат, 1959

Кононов В.М., Крысенко А.М., Швец В.М. Основы геологии, гидрогеологии и

инженерной геологии. М.: Высш. шк., 1978

Маслов Н.Н. Инженерная геология. М.: Госстройиздат, 1957

Северьянов Н.Н., Агалина М.С. Справочник по инженерным изысканиям для

строительства. М.: ГосНТИ по горному делу, 1963

Справочник по инженерной геологии. М.: Недра, 1974

Цытович Н.А. Механика грунтов. М.-Л.: Гос. изд-во по строительству и архитектуре, 1951

56

Практическая работа №9. Реология. Моделирование путей

распространения тектонических напряжений

и деформаций в блоковых структурах земной коры

Цель работы: получение наглядной

картины передачи тектонических

напряжений в геоблоковой среде.

Оборудование: вертикально стоящий

плоский ящик с прозрачными передней и

задней стенками заполняется в один слой

пластинками из целлулоида или

специальной фотоупругой смолы (рис. 17).

На всю эту систему пластинок воздействует

пресс. Под его нагрузкой кристаллическая

решётка целлулоида или смолы меняет свою

форму. Поле возникающих на пластинках

напряжений фиксируется в поляризованном

свете, проходящем в сторону наблюдателя.

В итоге эксперимента можно изобразить

ветвящиеся системы линий распространения

напряжений, передающихся от пресса к

нижнему ряду пластинок. Как выглядит

картина распределения напряжений на

фотоупругой модели сложной формы,

показано на рис. 18. Традиционно сравнивая

структуру земной коры (тектоносферу) со

структурой «битой тарелки», можно

предположить в коре аналогичный механизм

передачи тектонических напряжений,

например, от Сибирской платформы в

сторону Курило-Камчатской горно-

островной дуги (рис. 19).

При построении этой схемы сделано

следующее сильно упрощающее построение

подобных схем допущение, несколько

отклоняющееся от условия сохранения

полной аналогии с исходной схемой,

изображённой на рис. 17. При общем

анализе конкретной тектонической ситуации

не всегда удаётся точно определить и

нанести на карту границы всех

взаимодействующих между собой

геоблоков. Поэтому линии распространения

тектонических напряжений от активной

глыбы земной коры к горным узлам удобнее

проводить через нанесённые на карты

наивысшие отметки рельефа. Обосновать

правомерность таких построений на

геотектонических схемах можно,

предположив, что «центры тяжести»

геоблоков условно находятся в точках

наивысшего рельефа.

Рис. 20

Рис. 21

57

Литература

Аверьянова В.Н. Глубинная сейсмотектоника островных дуг. М.: Наука, 1975

Островные дуги / Сб. статей. М.: ИЛ, 1952

Поля напряжений и деформаций в литосфере / Сб. статей. М.: Наука, 1979

Поля напряжений и деформаций в земной коре / Сб. статей. М.: Наука, 1987

Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука,

1991

Рис. 22. Схема распространения

тектонических напряжений

в регионе Курило-Камчатской

островной дуги

58

59

Практическая работа №10. Физика землетрясений.

Лабораторные исследования процесса формирования

разрыва в земной коре

Учёные Объединённого института физики Земли Российской Академии наук на

протяжении многих лет проводят эксперименты на образцах горных пород и модельных

материалов, чтобы в конечном итоге разработать алгоритмы для выявления стадий

развития очагов землетрясений. Создаются и сравниваются разные модели подготовки

землетрясений. Опыты по крупномасштабному моделированию сейсмичности

проводились на 50 000-тонном прессе Института физики высоких давлений РАН. Этот

пресс способен нагружать, деформировать и доводить до разрушения большие блоки

горных пород и искусственных материалов (бетон) с линейными размерами в первые

метры. Был проведён тщательный контроль за эволюцией полей деформации в блоках с

помощью тензометрических датчиков, лазерных интерферометров, ультразвуковых

генераторов, приёмников акустических излучений.

Наиболее наглядная картина эволюции полей деформации перед образованием

макроразрыва получена при экспериментах на бетонных блоках с заложенными внутрь

при их изготовлении концентраторами напряжений. Главные результаты опытов

представлены на рис. 20 в обобщённой схематической форме:

Стадия I – постепенное накопление трещин размером до 1 мм, при этом фронт

трещинообразования мигрирует от очага к периферии

Стадия II – укрупнение трещин до величины 2-3 мм

Стадия III – возникновение эшелона

ещё более крупных трещин, трассирующих

будущий макроразрыв

Эти же три стадии прослеживаются

на графиках (рис. 21), где показаны кривые

нагружения F и количества акустических

импульсов в единицу времени N,

нормированные к их конечным значениям.

На графике maxN

N видно увеличение

акустической эмиссии на стадии первичной

активизации, затем хорошо просматривается

стадия акустического затишья и вторичная

Рис. 24

60

активизация перед макроразрывом (момент его показан стрелкой).

На основании данных лабораторных экспериментов и по наблюдениям

сейсмичности отечественные и зарубежные исследователи разработали ряд моделей

подготовки землетрясений.

Теоретическую основу составляют представления механики и физики

разрушения материалов и горных пород. Само землетрясение рассматривается как

итог эволюции процесса трещинообразования в Земле в результате воздействия

тектонических напряжений, вызванных движениями горных массивов под влиянием

причин внутриземного и космического происхождения.

61

Схема дилатантно-диффузной модели подготовки землетрясения: а)

изменения во времени тектонических напряжений , предела прочности горных

пород , скорости деформации , отношения скоростей продольных и поперечных

сейсмических волн sVpV , электросопротивления; б) три стадии

трещинообразования.

ДИЛАТАНСИЯ – некоторое увеличение объёма горных пород при массовом

возникновении микротрещин отрыва. Горная порода при этом относительно

осушается, внутрипоровое давление падает, и прочность породы повышается в

соответствии с модифицированным законом Кулона-Мора:

)(0 ipk ,

где 0 – исходная прочность, – литостатическое давление вышележащих слоёв

пород. По мере фильтрации воды из окружающего объёма в область дилатансии

62

прочность породы снова падает, происходит её микроразрушение.

Схема модели лавинно-неустойчивого трещинообразования: а) изменения во

времени напряжений , прочности горных пород , скорости деформации ,

отношения скоростей продольных и поперечных сейсмических волн sVpV ,

электросопротивления ; б) три стадии трещинообразования.

Основу модели составляют два явления: взаимодействие полей напряжений

трещин и локализация процесса трещинообразования. После достижения

критической плотности постепенно накапливающихся трещин начинается

лавинообразный процесс их объединения в результате взаимодействия полей

напряжений близкорасположенных трещин. Это явление сопровождается

стягиванием процесса трещинообразования в узкую зону, где и происходит

макроразрыв, вызывающий землетрясение.

При анализе величины дилатансии в конкретной сейсмической ситуации

необходимо учитывать фактор увеличения объёмов подплитных пространств при

субгоризонтальном сжатии земной коры в условиях тектонических деформаций на

криволинейных поверхностях региональных надвигов (см. табл. 8).

Литература

Природные опасности России. / Под общей редакцией В.И. Осипова и С.К. Шойгу.

Сейсмические опасности. М.: КРУК, 2000

Соболев Г.А., Пономарёв А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003

Современная динамика литосферы континентов. Подвижные пояса. М.: Недра, 1995

63

64

Предисловие

Мировое научное сообщество уделяет большое внимание изучению опасных

явлений, исходящих на Землю из космоса (электромагнитное излучение, солнечные и

галактические космические лучи, магнитные бури, метеориты, кометы, астероиды и т.д.).

До недавнего времени в этих областях знаний работали преимущественно астрономы,

астрофизики, планетологи, специалисты по малым телам солнечной системы. В ХХ веке с

открытием гелиобиологии и гелиосейсмологии проблемами физики Солнца стали глубоко

интересоваться земные сейсмологи и магнитологи, геофизики и геохимики, биологи и

медики. Освоение человеком космического пространства стимулировало развёртывание

многосторонних исследований по космическим опасностям. По всем этим вопросам

существует немало литературных источников, списки которых приводятся в данном

пособии. Но основная масса ценной информации, необходимой для разработки

технических систем защиты человека от космических опасностей , по-прежнему

находится в круге специальной астрономической и астрофизической литературы. Не так

просто в ней разобраться, весьма сложно обозначить приоритеты познания, надёжные

пути перспективных исследований. Поэтому вводную тему данного пособия автор

раскрывает в значительной мере как историю формирования первоочередных

астрономических знаний и, в частности, как историю изучения астрономии на Урале, как

историю участия нашего региона в организации практического освоения космоса.

Наличие в нашем крае глубоких традиций астрономических исследований и космического

строительства поможет студентам сориентироваться среди обширных материалов по

проблеме космических опасностей, понять, усвоить и применить на практике знания

причинных взаимосвязей беспокойной в своём развитии Вселенной.

Тема: Вклад учёных Урала в астрономию и космонавтику. Поиск путей к пониманию физической природы космических

опасностей

Обсерватория Аркаим. Более двух десятилетий тому назад на Южном Урале сделано

открытие мирового значения – археологами обнаружен город бронзового века Аркаим,

построенный как огромная пригоризонтная астрономическая обсерватория и город-храм.

По соседству с Аркаимом открыто более двух десятков крупных одновозрастных

поселений, которые в совокупности названы «Страной городов», ставшей когда-то первой

самобытной цивилизацией на Урале. Город состоял из нескольких охватывающих друг

друга колец, крепостных, ремесленных и других строений, включал различные

астрономические устройства и сооружения. На протяжении длинной вереницы столетий

древние зауральские кочевники жили здесь и изучали степь во всех подробностях, чтобы

запастись драгоценной в то время медью, да ещё и с помощью звёзд выбрать нужное,

подсказанное природой время для новых дальних кочевий. Первоначальные попытки

обнаружить Аркаим были предприняты ещё в XVIII веке.

Более десяти лет у нас на Урале и в Сибири работал находящийся на русской службе

известный французский астроном Ж. Делиль. Когда Пётр Первый задумал создать в

Петербурге первую в России астрономическую обсерваторию, он выбрал Делиля в

качестве её строителя и директора и поручил посланнику во Франции князю Куракину

заключить с учёным контракт на четыре года. После успешного выполнения царского

поручения Делиль решил остаться в России. Он участвовал в качестве астронома в

знаменитой Северной экспедиции, а потом, в 1740 году, организовал для себя

специальную экспедицию в Берёзов для наблюдения солнечного затмения. Облачность,

снегопад, ветер помешали выполнить эту задачу, но Делиль не торопился возвращаться в

Петербург. Он провёл несколько месяцев в Западной Сибири и на Урале в надежде

выяснить местонахождение древнейшей уральской астрономической обсерватории

65

66

Аркаим, место которой ему указали в Париже маги и жрецы – выходцы из Индии. И

Петру Первому, и его последователям на троне Делиль сообщил об этом факте, с их

ведома пытался искать Аркаим, но найти его так и не смог.

Даже и в наше время в открытии Аркаима присутствовала немалая доля

случайности. Но археологи, начинавшие здесь инспекционную работу перед постройкой

крупного водохранилища, не только открыли древнейшую обсерваторию, но и справились

с отменой гидропроекта и с утверждением для этой территории статуса государственного

памятника истории культуры и природы. Ныне Аркаим – это заповедник, который

посещают тысячи людей.

В 1761 году в Соликамске, Екатеринбурге, Осе и других уральских населённых

пунктах работал ученик академика Делиля французский астроном Ж.Ш. д’Отрош. Для

наблюдений солнечного затмения и прохождения Венеры по диску Солнца Отрош со всем

необходимым астрономическим оснащением ездил в Тобольск, а после благополучно

выполненной там работы определял на обратном пути в Петербург географические

координаты многих важнейших населённых пунктов Урала и европейской России.

Магнитная обсерватория на Урале. В 1829 году в России работала

естественнонаучная экспедиция знаменитого немецкого учёного и путешественника

Александра Гумбольдта. Большое внимание он уделил Уралу и приложил немало сил,

чтобы организовать на северной части Евразиатского материка сеть магнитных

обсерваторий. Учёному удалось получить на это согласие Российской Академии наук, и в

1835 году в Екатеринбурге было создано уникальное научное геофизическое учреждение,

оснащённое типовыми магнитоизмерительными системами. Так возникла одна из самых

первых в России магнитных обсерваторий, которая особенно замечательна тем, что с тех

пор ни разу не прерывала своих измерений и до сего дня остаётся лучшей в

магнитометрической отрасли исследований.

Составление карт. Изучение солнечных затмений и метеоритов. По рекомендации

основателя Пулковской астрономической обсерватории В.Я. Струве с 1847 по 1849 годы

на Среднем и Северном Урале в составе экспедиции Э.К. Гофмана работал астроном М.А.

Ковальский. Он прошёл по маршруту от Чердыни до берегов Северного Ледовитого

океана, определил 72 высоты различных точек Уральского горного хребта, а также

географические координаты 186 встречавшихся по маршруту поселений. В дальнейшем

М.А. Ковальский работал на кафедре астрономии Казанского университета, разрабатывал

теорию движения Нептуна, новые методы предвычисления солнечных и лунных

затмений, впервые в мире высказал идею о вращении Галактики.

В августе 1887 года по всей России наблюдалось полное солнечное затмение,

послужившее В.Г. Короленко темой рассказа «На затмении». Это редкое природное

явление давало учёным возможность более пристально изучить Солнце, и поэтому

различные научные учреждения России и других стран заранее рассылали специальные

экспедиции по территории обширной предвычисленной полосы будущего затмения. В

составе Красноярской экспедиции, организованной Русским физико-химическим

обществом, затмение Солнца наблюдал двадцативосьмилетний преподаватель Морского

инженерного училища в Кронштадте Александр Степанович Попов, учившийся когда-то в

Пермской духовной семинарии. Будущий изобретатель радио изучал Солнце с помощью

сконструированного им самим фотометра и пришёл к выводу, что «солнечная корона не

есть явление оптическое», как полагали тогда многие исследователи, «она реальная и

остаётся в существенных своих чертах неизменной во время затмения».

В том же 1887 году 30 августа в полдень жители Пермской губернии наблюдали

очень редкое природное явление – падение крупного метеорита. Огромное раскалённое

космическое тело промчалось по небосводу с северо-востока на юго-запад и взорвалось

над деревней Таборы вблизи Оханска. Взрыв был очень сильный, сплошной грохот

продолжался в течение трёх-четырёх минут. Обломки метеорита рассыпались по всей

округе. Поэтому нередко это событие называют Оханским метеоритным дождём. Через

67

68

десять дней на месте падения небесного гостя работал казанский учёный П. Кротов,

которому удалось собрать и доставить в университет около ста пятидесяти килограммов

метеоритного вещества. Метеориту были посвящены десятки специальных научных и

научно-популярных статей, а автор одной из них профессор Ю. Семашко первым

предложил выделить метеоритику как новую науку, самостоятельную область

человеческих знаний.

Московский учёный А. Павлов, описывая Оханский и другие каменные метеориты,

отмечал присутствие в их массе шарообразных или округлых зёрен. Эти характерные

крупицы минералов были названы хондрами. Среди других типов каменных небесных

пришельцев группу хондритов впервые выделил минералог Г. Розе, который в 1829 году

сопровождал А. Гумбольдта в его путешествии по Уралу.

Ко времени падения Оханского метеорита в классификации хондритов

насчитывалось более тридцати разновидностей. И всё же этот метеорит был особенный. В

сентябре 1887 года пять его обломков попало в Петербург в химическую лабораторию

Д.И. Менделеева. Знаменитый учёный очень ими заинтересовался и поручил их

химический анализ лучшим своим помощникам – студентам Тихонравову, Петрову,

Юникову и Троицкому. Несколько обломков метеорита были переданы для

петрографического изучения геологу А. Иностранцеву. Дважды Менделеев рассказывал

об Оханском метеорите на заседаниях Русского физико-химического общества. Обломки

этого метеорита ныне хранятся во многих музеях на разных континентах. Эти

удивительные образцы космического вещества уже немало послужили учёным всего

мира.

Исследования Солнца и комет. Рубеж XIX и ХХ столетий характерен быстрым

развитием инструментальных исследований солнечной активности. В 1904 году в США

собрались астрономы-делегаты из различных стран, в том числе и из России. На

совещании был организован Международный союз по кооперации всех исследований

Солнца. Началась разработка унифицированных инструментов для постоянного и

всестороннего изучения нашего светила. Вот почему не могла остаться незамеченной

напечатанная в «Известиях Русского астрономического общества» работа о

спектрогелиоскопе астронома Юрьевской университетской обсерватории К.Д.

Покровского. В 1916 году он стал первым ректором организованного в Перми

университета.

Глубокий интерес к тайнам Солнца К.Д. Покровский передал лучшему своему

ученику, ассистенту в пермскую пору его деятельности Г.А. Шайну, закончившему

образование в Пермском университете и преподававшему в нём до 1920 года. При участии

Шайна в начале тридцатых годов в нашей стране создавалась государственная служба

Солнца. В июне 1936 года Г.А. Шайну, участвовавшему в экспедиции по наблюдению

солнечного затмения в Сибири, удалось получить необычайно хорошие спектрограммы

солнечной короны. Благодаря этим новым данным учёный впервые сделал важный вывод

о высокой кинематической температуре короны. С 1945 года Шайн работал директором

Крымской астрофизической обсерватории, ставшей сегодня крупным центром по

исследованию физики Солнца, воздействия светила на ионосферу и магнитное поле

Земли.

Геолог П.Н. Чирвинский и астроном С.В. Орлов также преподавали в Пермском

университете. Обоих отличал особенный интерес к проблемам Солнца. Профессор

Чирвинский в течение всей своей жизни собирал материалы о химическом составе

солнечного вещества, ещё в 1923 году сделал важные выводы об аналогии процессов,

происходящих на Земле и на Солнце. Одним из первых в России Чирвинский поставил

вопрос об изучении деятельности Солнца в давние геологические периоды. Ещё

Чирвинский глубоко изучал метеориты. Его диссертация на эту тему, написанная в начале

двадцатого века, в 1967 году была переиздана Академией наук в виде монографии и

поныне сохраняет свою ценность. Учёный одним из первых исследователей обратил

69

70

внимание на поразительное сходство химического состава метеоритов и изученного

спектроскопистами солнечного вещества. Намеченный Чирвинским «метеоритный

мостик» от Земли к Солнцу ждёт последователей. Именем учёного названы минерал

чирвинскит, одна из возвышенностей на Подкаменной Тунгуске, два открытых

Чирвинским закона метеоритоведения.

Профессор С.В. Орлов работал в Пермском университете с 1916 по 1921 год, был

одним из инициаторов создания кафедры астрономии. Орлов впервые решил сложную

проблему изменения яркости кометы в зависимости от её расстояния до Солнца и

активности светила. После обработки большого количества наблюдательных данных по

пролёту комет вблизи Солнца Орлов определил чёткую зависимость между активными

образованиями на поверхности светила и яркостью ядра кометы. Эти исследования

возбуждения вспышек кометных ядер корпускулярными солнечными потоками имеют

большое практическое значение для определения влияния солнечной активности на

атмосферу Земли. Учёный рассмотрел и объяснил весь комплекс механических и

физических свойств комет, предложил свою теорию происхождения комет. Возражая

сторонникам широко распространённой ледяной модели кометных ядер, Орлов

дальновидно отстаивал каменистую природу ядер комет. Сергей Владимирович строго

расклассифицировал все кометные формы и убедительно показал, что ядра комет,

астероиды и метеориты составляют единый класс объектов Солнечной системы.

Вернувшись из Перми в свой Московский университет, выпускником которого он был,

Орлов стал руководителем кометных исследований в Москве, признанным главой

отечественной школы кометной астрономии. Из новой московской школы исследователей

комет вышли такие выдающиеся астрономы-кометологи как Б.А. Воронцов-Вельяминов,

С.К. Всехсвятский, Н.Д. Моисеев и многие другие. В течение десятка лет Орлов

возглавлял Государственный астрономический институт имени Штернберга. За работы по

теории комет учёный был удостоен Государственной премии.

Изучение космических лучей. На заре развития Пермского университета один из

первых его физиков А.Б. Вериго столкнулся с воздействием на электрические приборы

излучения неизвестной природы, которое впоследствии по аналогии с лучами Рентгена

было названо космическими лучами. Но в самом начале исследования этого излучения

многие учёные полагали, что оно имеет земную природу. Для выяснения происхождения

загадочного излучения Вериго предпринял по совету знакомых пермских геологов

довольно необычную для физика экспедицию. Два студента помогли Вериго добраться с

приборами на север нашего края, в Дивью пещеру. После первых же измерений стало

ясно: излучение на глубине значительно ослабевает и, таким образом, гипотеза о земных

источниках странного излучения неправомерна.

В двадцатые годы Александр Брониславович руководит работами по изготовлению

радиометрических приборов в физическом отделе Ленинградского государственного

радиевого института, изучает космические лучи и радиоактивные явления в Главной

геофизической обсерватории. Но мечта о новых больших экспедициях не оставляет

учёного. Ведь даже и в середине двадцатых годов многие его коллеги всё ещё

сомневались в возможности прихода на Землю излучений космического происхождения.

Поэтому три года подряд Вериго выезжает к подножию Эльбруса и совершает

труднейшие восхождения на его вершину. Наблюдения показали, что на

пятикилометровой высоте интенсивность космического излучения в пять раз превосходит

величину, зарегистрированную на уровне моря.

Однако результаты кавказских экспедиций не вполне удовлетворяют Вериго,

которого, кроме всего прочего, интересует и проникающая способность излучения. В 1929

и 1930 годах Вериго добивается разрешения и проводит необходимые исследования на

подводной лодке Балтийского флота. Оказывается, космические лучи проникают через

водную толщу гораздо свободней, чем думали до сих пор. По результатам вычислений,

величина проникающей способности космического излучения получалась заниженной в

71

три раза по сравнению с наблюдениями Вериго. Одно из своих исследований учёный

проводит на линкоре, в стволе орудия главного калибра.

Знакомые физики советуют Вериго писать после своих экспедиций

приключенческие повести. Но мысли учёного всё чаще уходят к новым опытам. Свой

очередной эксперимент Вериго осуществляет на аэростате во время полёта в стратосферу.

На этот раз вместе с традиционными электроскопами учёный работает с

модифицированной им самим камерой Вильсона. Даже при неполадках в оболочке

стратостата Вериго не прерывает наблюдений. Чтобы облегчить экипажу посадку и

сохранить стратостат, учёный по приказу командира корабля прыгает с парашютом. За

мужество, проявленное во время стратосферного полёта, Вериго был награждён орденом

Красного Знамени.

В первое десятилетие истории Пермского университета в нём работала кафедра

астрономии, которой руководил А.Н. Нефедьев. Сотрудники кафедры выполняли задание

Уралплана по определению координат Перми, Свердловска и Миасса с помощью

беспроволочного телеграфа. В 1924 году учёные университета участвовали в астрономо-

геодезических работах Управления по обеспечению кораблевождения в Карском море и в

устьях сибирских рек в районе Обской губы.

Мир как пространство и время. Профессор механики Пермского университета

А.А. Фридман безупречно владел математикой. Разработка новых методов решения

дифференциальных уравнений привела его к детальному критическому анализу

знаменитой теории тяготения Эйнштейна. В статье «Мир как пространство и время»

Фридман обнаружил и объяснил незавершённость этой теории, которая вызвала

революцию в физике, но так и не указала внутренних причин и путей развития мира.

Пермский учёный подверг строгому анализу выводы теории тяготения. Излюбленный

метод Фридмана «нельзя ли чего откинуть» в уравнениях, не нарушая их физического

смысла, и здесь оправдал себя. Новые решения гравитационных уравнений привели

учёного к неожиданным выводам: «кривизна» Вселенной оказалась непостоянной. А

значит, далёкие галактики, окружающие наш Млечный путь, должны или сближаться или

удаляться друг от друга – «разбегаться», как говорят астрономы.

Эйнштейн, прочитав статью русского коллеги, нахмурился и не согласился с

выводами Фридмана, назвав их «подозрительными». Лишь годом позже Эйнштейн

написал: «В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя

критика, как я убедился из письма Фридмана… основывалась на ошибке в вычислениях. Я

считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет».

Ещё через несколько лет американский астроном Э. Хаббл открыл явление

разбегания галактик и тем самым полностью подтвердил правильность прогнозов

Фридмана. Так начался новый этап в развитии космологии – науки, изучающей космос в

целом. Опираясь на многочисленные физические опыты и наблюдения звёзд с помощью

мощных телескопов, астрофизик Г. Гамов дополнил космологическую модель Фридмана

идеей о «горячем» происхождении Вселенной. Прошло ещё более полутора десятков лет,

пока радиофизики А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили приходящее на Землю со всех

сторон космического пространства так называемое реликтовое излучение Метагалактики

– следы давнего взрыва её сверхгорячего и сверхплотного ядра. Произошедший более

десяти миллиардов лет назад процесс распада «первоядра» Метагалактики американские

учёные назвали «Большим Взрывом», а наш соотечественник Д. Блохинцев предложил

«более почтительное» наименование – «Великий Взрыв». Поиски космических

механизмов, объясняющих его природу, волнуют ныне очень многих астрономов.

Современные астрофизики вновь и вновь разрабатывают сугубо теоретические модели

самых разнообразных метагалактик Вселенной. Математическая модель нестационарной

Вселенной Фридмана оказалась настолько дальновидной, что обобщённый анализ

взаимодействующих метагалактик может быть полностью проведён в рамках его

концепции.

72

Накануне Великой Отечественной войны главный университетский центр

астрономических исследований на Урале переместился из Перми в Свердловск.

Произошло это потому, что в 1931 году в составе Уральского университета было

образовано астрономо-геодезическое отделение, а в следующем году сформирована

кафедра астрономо-геодезии и гравиметрии. Возглавил кафедру специалист по

астрономическому приборостроению, энтузиаст астрономии С.В. Муратов. С помощью

студентов была построена небольшая астрономическая обсерватория. В 1937 году на

должности заведующего кафедрой Муратова сменил приглашённый из Казани профессор

А.А. Яковкин. Помимо собственно педагогических обязанностей он разрабатывал

проекты и следил за внедрением в производство авиационных автоматических

навигационных приборов. Кроме того, учёный написал и издал двухтомную монографию

«Вращение и фигура Луны».

Служба времени и Служба Солнца. В начале войны в Свердловск специальным

эшелоном был эвакуирован из Москвы Государственный астрономический институт

имени П.К. Штернберга. Первой, самой неотложной задачей института на новом месте

было создание государственной Службы времени. В глубоком подвале добротного

старого особняка разместили два герметических футляра с главными часами страны. Одни

сверхточные часы предназначались для хранения времени, сигналы других часов

отправлялись в эфир. 7 ноября 1941 года Свердловск начал регистрировать точное время.

Мощный всеволновый радиопередатчик транслировал эти сигналы на всю страну.

Командовал Службой времени астроном М.С. Зверев. Из ежесуточных двадцати пяти

сигналов точного времени 19 сигналов обязан был давать Свердловск. К 1 марта 1942 года

здесь была создана собственная наблюдательная база для определения поправок часов,

начались наблюдения на пассажном инструменте. Так был установлен своеобразный

рекорд: уральская служба времени по точности работы перестала уступать хорошо

отлаженной германской, а затем превзошла её на семь тысячных долей секунды.

Здесь же открылось и особое вычислительное бюро, создававшее «Таблицы восхода

и захода Солнца и Луны» для штурманской службы бомбардировочной авиации дальнего

действия. Эти таблицы печатались в Нижнем Тагиле и использовались лётчиками,

моряками, партизанами на всех фронтах Великой Отечественной.

В Свердловске совместно с эвакуированной на Урал Киевской университетской

лабораторией учёные Института Штернберга продвинули вперёд и ещё одно совершенно

новое направление исследований – изучение солнечной активности и её влияния на

процессы в земной атмосфере. Так, под руководством С.К. Всехсвятского начала свою

деятельность уральская Служба Солнца. Основной обязанностью этой Службы стала

фиксация перемен на солнечном диске и составление прогнозов «радиопогоды» для

обеспечения надёжного действия армейской радиосвязи. Разрабатывалась также методика

прогнозирования условий прохождения радиоволн над Северным Ледовитым океаном для

Главсевморпути, ответственного за перевозку жизненно важных грузов из США и Англии

через Берингов пролив. Трасса проходила в зоне максимумов полярных сияний при

максимумах радиопомех, связанных преимущественно с фазами солнечной активности.

Добиваясь наивысшего качества прогнозов «радиопогоды», астрономы Свердловска в

содружестве с учёными Арктического института нашли самый рациональный способ

разделения воздействий волновой и корпускулярной радиации активных областей Солнца

на ионосферу Земли.

В начале 1942 года в обсерватории ГАИШ в Свердловске астроном Э.Р. Мустель и

группа сотрудников начали регулярное наблюдение за солнечными пятнами и факелами.

Данные эти сопоставлялись с характеристиками магнитного поля, которые поступали

ежедневно из Косулинской геомагнитной обсерватории. В феврале того же года Мустель

установил, что каждое факельное поле, проходящее через видимый центр диска Солнца,

сопровождается усиленными геомагнитными возмущениями. Новый экспериментальный

факт вошёл в число основных признаков для предсказания геомагнитных возмущений с

73

точностью до суток, а иногда и до полусуток. Как стало известно в 1943 году, в

семидесяти процентах случаев сильные геомагнитные возмущения начинались через

сутки-двое после прохождения соответствующего факельного поля через центральный

меридиан Солнца.

Кафедра астрономии и Коуровская обсерватория. Начало космической эры. С

выходом нашей страны в космическое пространство в Уральском университете сооружена

станция по наблюдению искусственных спутников Земли. В 1960 году восстановили

университетскую кафедру астрономии, которую возглавила выпускница кафедры 1941

года Клавдия Александровна Бархатова. В 1961 году, в год первого космического полёта

Ю.А. Гагарина, Уральский университет начал строить свою загородную астрономическую

обсерваторию, которая через пять лет вступила в строй и успешно ныне работает.

Сотрудники кафедры и обсерватории ведут исследования по галактической астрономии,

физике звёзд и туманностей, физике Солнца и космической геодезии. Уточнена шкала

звёздных расстояний.

В послеобеденное время 25 марта 1961 года в пору весеннего бездорожья на юге

Пермской области в районе села Фоки опустились на парашюте корабль-спутник с

собакой Звёздочкой и катапультированный начинённый электроникой манекен

космонавта. Через два часа к месту приземления космического аппарата были сброшены

парашютисты-охранники, а на следующий день вертолёты привезли учёных с полевой

медико-биологической лабораторией. Всё это для местных жителей было в новинку. Ведь

о готовящемся тогда орбитальном полёте человека в космос никто не знал. А ещё через

три недели 12 апреля, когда на весь мир прозвучало сообщение о подвиге Ю.А. Гагарина,

очевидцы приземления Звёздочки и манекена догадались, что странные «небесные

пришельцы» были завершающей частью медико-биологических приготовлений к выходу

на космические просторы человека и человечества. Одним из главных действующих лиц

этих событий был пермяк, профессор и академик медицины В.В. Парин. По поручению

Академии наук страны он курировал все медико-биологические эксперименты, связанные

с изучением и освоением космического пространства. Путь учёного к этой работе

начинался издалека.

Парин закончил Пермский университет и аспирантуру в Казани и в Перми. В 1931-

1933 годы заведовал кафедрой физиологии и был деканом на биологическом факультете

Пермского педагогического института. А потом до начала Великой Отечественной войны

работал в Свердловском медицинском институте деканом, заместителем директора по

НИР, ректором.

Словно бы догадываясь о своём «космическом предназначении» Парин обстоятельно

работал в тех областях медицины, которые более всего пригодились в самом начале

освоения космоса. Особенно велик вклад учёного в физиологию кровообращения,

клиническую физиологию, гемодинамику, кардиологию, в решение проблемы

функционального резерва сердца и предельных человеческих возможностей в связи с

фактором времени. Парин стал одним из самых выдающихся основоположников

космической биологии и медицины. Учёный деятельно участвовал в разработке и

реализации программы медико-биологических экспериментов на первых высотных

геофизических и баллистических ракетах. Опыты на животных расценивал как

подготовку к полёту в космос человека.

Теоретические и практические основы многих систем автоматического врачебного

контроля за космонавтами были разработаны Париным ещё в далёкие довоенные годы. В

числе первых учёных-медиков страны Парин не только заложил научный фундамент

биологической и медицинской электроники, но и воспитал первое поколение

специалистов в этих передовых отраслях современной медицины. Парин провожал в

космический полёт и встречал Ю.А. Гагарина.

Среди принципиально важных разрешений на старт гагаринского «Востока» была

резолюция ещё одного пермяка – Г.А. Тюлина, длительное время работавшего

74

председателем Государственной комиссии по испытаниям и запускам ракетно-

космической техники. В числе выдающихся соратников Парина необходимо назвать и

О.Г. Газенко, широко известного на Урале человека. Недавно в Екатеринбурге ему была

вручена Демидовская премия по биологии.

Необычные по своей сложности задачи были поставлены перед специалистами,

изучающими деятельность человека в условиях космического полёта. Американские

медики, работавшие в Национальном центре космических исследований, приступили к

осуществлению программы испытаний, кандидатов в космонавты в жёстких условиях

длительной изоляции человека в ограниченных помещениях, практически без связи с

окружающим миром. В это же время Парин убедительно показал, что такие исследования,

несмотря на их важность для медицины в целом, не являются решающими для оценки

степени психологической и физиологической готовности человека к полётам в космос.

Более важной и неотложной задачей для космической медицины и психологии, говорил

Парин, является изучение способности космонавтов к выполнению самой обширной

программы разнообразных научных и инженерных исследований на орбите, способности

к длительной сосредоточенной работе, к быстрому поиску и принятию правильного

решения во всяких трудных ситуациях, которые возникают при такой многообразной

работе. Напряжённые темпы научно-исследовательской и инженерной работы отдельных

космонавтов, а тем более их коллективов на орбите сняли многие предполагаемые

затруднения, связанные с предупреждением стрессовых ситуаций во время длительного

пребывания людей в ограниченном пространстве космических кораблей и в условиях

невесомости.

На околоземных орбитах успешно работали многие космонавты, жизнь которых так

или иначе оказалась связанной с Уралом. Сотый космонавт планеты В.П. Савиных –

выпускник Пермского железнодорожного техникума, впоследствии инженер-геодезист и

учёный-оптик провёл с бортов «Союза» и «Салюта» немало исследований, которые в

полном смысле слова носили астрономический характер, внесли вполне определённый

вклад в астрофизику и планетологию. К внеземным астрономическим наблюдениям

причастны давнишние жители Урала космонавты В.И. Севастьянов и В.Г. Лазарев.

Почётную миссию первого выхода человека в космическое пространство осуществил

экипаж космического корабля «Восход-2», где командиром был П.И. Беляев из Каменск-

Уральского. В эвакуации во время Великой Отечественной войны в зауральском городе

Серове жил и работал преподавателем математики А.А. Штернфельд – соратник

С.П. Королёва по московскому ГИРДу. Ещё до войны он выпустил фундаментальное

исследование «Введение в космонавтику», в котором ввёл в научный оборот термины

«космический аппарат», «скафандр», «перегрузка», «космонавтика».

Традиции ракетостроения в нашем крае закладывались ещё в годы Великой

Отечественной войны, когда на Урал были эвакуированы десятки предприятий и

конструкторских организаций, создан и укреплён огромный научный и промышленный

потенциал. Весной 1942 года на аэродроме Кольцово под Екатеринбургом состоялся

первый полёт самолёта с ракетным двигателем. В первые послевоенные годы на Урале

создано специальное конструкторское бюро по ракетам дальнего действия. Здесь с 1949

года начал работать К.П. Феоктистов, который вскоре стал одним из проектировщиков

гагаринского «Востока», а потом и первым гражданским космонавтом планеты. На

нескольких уральских заводах был налажен серийный выпуск ракет и двигателей к ним.

Так Урал стал одним из ведущих регионов России по космонавтике.

Освоение внеземного пространства поставило перед учёными и инженерами ряд

совершенно новых задач по обеспечению безопасной жизнедеятельности как членов

космических экипажей, так и населения Земли в целом. Потребовались самые глубокие

знания о физической природе космических опасностей, о скрытых закономерностях их

проявления. Поэтому во всём мире нарастает интенсивность запусков автоматических

межпланетных станций для детальных исследований солнечной системы и окружающей

75

её Вселенной. Только путём систематического, очень тщательного изучения

окружающего космоса можно сначала вычленить приоритеты обеспечения устойчивого

развития Земли и человечества, а затем и добиться их действительной безопасности.

У современных астрономов и планетологов уже не вызывает сомнений тот факт, что

весь набор космических опасностей связан в основном с особенностями динамики

небесных тел. Попытаемся прояснить некоторые общие закономерности динамики

различных космических тел: планет, Солнца, малых тел солнечной системы, ближайших

звёзд. А далее от понятых в общих чертах основных закономерностей перейдём к

рассмотрению частных космических процессов, наиболее опасных для человечества.

Рассмотрим таблицу 20, посвящённую оболочечному строению Солнца и планет

солнечной системы. Моделирование оболочек крупных небесных тел весьма сложный

вычислительный процесс. Какое бы небесное тело мы ни изучали, всегда оно состоит из

концентрически расположенных оболочек. Это свидетельствует о длительной эволюции

родоначальной космической материи, о плотностной дифференциации планетного или

солнечного вещества. Одним из критериев скорости уплотнения и формирования внешних

каменных оболочек космического тела является темп приливного торможения его

вращения. Чем энергичней замедление вращения планеты, там активней процессы

переформирования её внешних оболочек. Зная характер кривой замедления вращения

Земли, можно с помощью несложных вычислений выяснить темпы торможения других

планет солнечной системы и самого Солнца, а, следовательно, сопоставить между собой

различные проявления активности вращающихся космических тел, понять их внутреннюю

природу.

Список литературы

Берри А. Краткая история астрономии. М.-Л.: ОГИЗ, 1946

История астрономии в России и в СССР. М.: Янус-К, 1999

Кириллов А., Зданович Д. Археастрономические исследования в степном Зауралье:

укреплённые поселения «Страны городов» и их окрестности // Астрономия древних

обществ. М.: Наука, 2002. С.158-161

Кертман Л.Е., Васильева Н.Е., Шустов С.Г. Первый на Урале. Пермь: Перм. кн. изд-во,

1987

Лёвшин Б.В. Советская наука в годы Великой Отечественной войны. М.: Наука, 1983

Паннекук А. История астрономии. М.: Наука, 1966

Перель Ю.Г. Выдающиеся русские астрономы. М.-Л.: ГИТТЛ, 1951

Пономарёв Д.Н. Астрономические обсерватории Советского Союза. М.: Наука, 1987

Результаты фундаментальных космических исследований в России. 1999-2001.

Национальный доклад. М.: Наука, 2004

Ченакал В.Л. Очерки по истории русской астрономии. Л.-М.: Изд-во АН СССР, 1954

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику основных этапов астрономических исследований на Урале.

2. Какими путями современная наука пришла к пониманию рисков, связанных с

космическими опасностями?

3. Какие приёмы изучения опасной динамики космических тел вы относите к наиболее

эффективным?

4. Какие средства защиты от космических опасностей вам известны?

5. Каков вклад медико-биологических наук в решение проблемы космической

безопасности?

76

77

Практическая работа № 11. Общие закономерности

динамики планет и Солнца

Целью данной работы являются изучение физических и математических оснований

теории активности космических тел, расчётное подтверждение рабочей гипотезы о том,

что главные проявления активности планет и Солнца по существу однопричинны: они

связаны с вековым уплотнением космических тел, замедляющих своё вращение в

результате действия приливного трения. При этом в недрах всех космических тел

постоянно накапливаются особого рода термические, тектонические и магнитные

напряжения, которые в конечном счёте проявляют себя той или иной активностью на

поверхности тела, в ионосфере или магнитосфере. Разница между уровнями и формами

проявления активности планет и Солнца обусловлены размерами космических тел,

наличием в недрах светила таких дополнительных источников энергии как ядерные

реакции, развивающиеся по протон-протонному и углеродному циклам.

При работе над первой частью данного учебного пособия студентами усвоен

порядок и содержание расчёта главных характеристик Земли как небесного тела.

Вычислены вековые изменения периода суточного вращения, плотности, радиуса,

ускорения силы тяжести на поверхности планеты за всё время её существования (табл.

21а).

Напомним некоторые методические основания подобных расчётов, чтобы перейти к

решению следующих аналогичных задач динамики космических тел.

Открытая Дж. Уэллсом новая геохронологическая шкала векового увеличения

продолжительности земных суток позволила воспользоваться планетологическими

расчётами К.Э. Циолковского, проведёнными в двадцатые годы ХХ века и

опубликованными в четвёртом томе первого издания собрания его сочинений (1965).

Учёный разработал сбалансированную во всех отношениях концепцию векового

перераспределения момента количества движения от Солнца к планетам через посредство

сил приливного трения. Это значит, что вычисленные в первом разделе данного пособия

первоначальные плотность и угловая скорость вращения Земли могут быть приняты в

качестве исходных известных величин при расчётах эволюции Солнца и каждой планеты

солнечной системы также за весь период их существования.

Задача. Выполните расчёты эволюции основных характеристик Луны, Марса,

Солнца. Постройте графики, аналогичные показанным на табл. 21б,в,г.

Вначале при рассмотрении получившихся астрофизических графических систем

может показаться, что Солнце в сравнении с Землёй, да и другими планетами, держит

безусловный приоритет по числу и масштабам космических опасностей и катастроф. Но

не торопитесь с окончательными выводами. По существу и о Солнце, и о планетах наши

знания пока ещё не являются исчерпывающими. Если в связи с этим очевидным фактом

обратиться за советом к особо проницательным и дальновидным великим космическим

поэтам, то у М. Ломоносова прочтём следующее видение Солнца:

Когда бы смертным толь высоко

Возможно было возлететь,

Чтоб к солнцу бренно наше око

Могло, приближившись, воззреть,

Тогда б со всех открылся стран

Горящий вечно океан.

Там огненны валы стремятся

И не находят берегов,

Там вихри пламенны крутятся,

Борющись множество веков,

78

79

Там камни, как вода, кипят.

Горящи там дожди шумят.

А у Николая Гумилёва:

Земля, к чему шутить со мною:

Одежды нищенские сбрось

И стань, как ты и есть, звездою,

Огнём пронизанной насквозь.

Отнесёмся с должным учёным вниманием к этим провидческим строчкам.

Ломоносов одевает пылающее Солнце в раскалённые каменные одежды, Гумилёв срывает

с казалось бы полностью окаменевшей нашей планеты её «нищенские» литосферные

оболочки, под которыми, по его мнению, скрыто подлинное «огнём пронизанное»

звёздное вещество.

Если воспринять премудрость названных великих поэтов по большому счёту, то,

вероятно, вывод можно сделать такой: попытаться изучать Солнце по аналогии с Землёй,

а Землю – по аналогии с Солнцем. Попробуем принять эту рекомендацию к сведению как

одну из многих парадоксальных рабочих гипотез.

Список литературы

Астрономия: век XXI / Ред.-сост. В.Г. Сурдин. – Фрязино: «Век-2», 2007

Баньковский Л.В. Опасные ситуации природного характера: Учеб.-методич. пособие: Ч. I.

Соликамск: Изд-во СГПИ, 2006

Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975

Каттерфельд Г.Н. Лик Земли. М.: Географгиз, 1962

Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учеб. пособие. М.: Едиториал

УРСС, 2004

Личков Б.Л. К основам современной теории Земли. Л.: Изд-во ЛГУ, 1965

Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и

космонавтике (проблемы, методы, решения). М.: Машиностроение, 1980

Тема: Опасные излучения космоса: солнечная радиация

Прежде чем приступить к изложению некоторых теоретических оснований новой,

весьма сложной темы, проведём предварительный опрос. Попытаемся прояснить круг

ваших исходных знаний по данной теме с помощью небольшого научного теста:

«Опасные космические излучения: что это?»

Выберите из предлагаемого списка определений, на ваш взгляд, наиболее точные, по

возможности адекватные так или иначе понимаемой действительности. Предложите свои

определения предмета нашего исследования.

1. Особая форма межзвёздного вещества, существенная часть материи Галактики

2. Загадочный и могучий феномен природы, одна из ключевых загадок современной

физики и астрономии

3. Поток «космических карликов» – заряженных частиц высоких скоростей и поистине

фантастических энергий

4. Поток «космических карликов» – заряженных частиц высоких скоростей и поистине

фантастических энергий

5. Довольно своеобразный вид материи, свойства которой определяются в значительной

мере огромными энергиями отдельных частиц и их бурными превращениями

80

6. Материя, в каком-то смысле стоящая на грани между веществом и лучами, точнее –

между потоком частиц вещества и квантов поля

7. Релятивистский газ заряженных частиц с недостижимой для земных ускорителей

энергией

8. Неиссякаемое разнообразие ядерных процессов

9. Один из «продуктов» бурь во Вселенной и в нашей Галактике

10. Разреженный газ, состоящий из частиц, редко взаимодействующих друг с другом

11. Инструмент изучения физических процессов на Солнце и в космическом пространстве

12. Участники эволюции земной биосферы и многих астрофизических процессов

13. Незаменимое средство исследования атомных ядер и хранящейся в них ядерной

энергии

Проверьте свои заключения по тесту, проанализировав некоторые теоретические

медико-биологические сведения, изложенные в формах структурных схем в таблицах 22-

27.

Список литературы

Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Биологические опасности

космических полётов. М.: Машиностроение, 1977

Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности. М.: Астрель АСТ,

Профиздат, 2006

Григорьев Ю.Г. Радиационная безопасность космических полётов: радиобиологические

аспекты. М.: Атомиздат, 1975

Киммель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник. М.:

Атомиздат, 1966

Космическая биология и медицина: Совместное советско-америк. изд-е в 5 тт.: Т.IV.

Здоровье, работоспособность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001

Краткий справочник по космической биологии и медицине. М.: Медицина, 1967

Основы космической биологии и медицины: Совместное советско-америк. изд-е в 3-х тт.

М.: Наука. Т.1, 1975; Т.2, кн. 1,2, 1975; Т.3, 1975.

Радиационные условия в космическом пространстве: Учеб. пособие. М.: Библион-Русская

книга, 2006

Русак О.Н., Малаян К.Р., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие.

СПб: Лань; М.: Омега-Л, 2005

Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982

Яковлев Н.Н. Живое и среда. Л.: Наука, 1986

81

82

83

84

85

86

87

Контрольные вопросы

1. Пользуясь таблицей 23, дайте по возможности наиболее полную

характеристику взаимодействия живого организма с различными

диапазонами электромагнитного излучения Солнца.

2. Каковы основные различия в воздействии всего спектра космических

электромагнитных излучений на человека, находящегося на земной

поверхности или в условиях высотного перелёта на пассажирском

самолёте (или на околоземной орбите)?

3. Назовите основные последствия лучевого поражения организма

ионизирующими излучениями космической и иной природы.

4. Охарактеризуйте принятые радиобиологами дозы ионизирующего

излучения.

5. С какими принципами устройства радиационных дозиметров вы

знакомы?

Практическая работа № 12. Незащищённый

человек на открытом солнце

Определите наиболее сложную часть взаимоотношений своего

организма при длительном нахождении на открытом солнце. Опираясь на

данные таблиц 24 и 25, проведите самоконтроль и запись состояний

незащищённой кожи и самочувствия во время вашего очередного

длительного пребывания на прямых солнечных лучах в условиях пляжа,

огорода, загородного отдыха. Постарайтесь не доводить этот эксперимент

над собой до стадий фотоофтальмии и влажной десквамации, не говоря уже о

возможном более значительном ущербе для вашего здоровья.

Список литературы

Барабой В.А. Солнечный луч. М.: Наука, 1976

Бардычев М.С., Цыб А.Ф. Местные лучевые повреждения. М.: Медицина,

1985

Радиационная медицина: Пособие для врачей и студентов. М.: Госатомиздат,

1963

Тёльдеши Ю., Кенда М. Радиация – угроза и надежда. М.: Мир, 1979

Усманов С.М. Радиация: Справочн. мат-лы. М.: Гуманит, изд. центр

ВЛАДОС, 2001

Холл Э.Д. Радиация и жизнь. М.: Медицина, 1989

88

Тема: Опасные излучения космоса: галактические и солнечные космические лучи

Для знакомства с теоретическими основами темы предлагается

проанализировать текстовое и графическое содержание таблиц 9-14.

Список литературы

Астрофизика космических лучей. М.: Наука, 1990

Вильсон Д., Воутуйзен З. Физика элементарных частиц и космических лучей. М.:

ИЛ, 1960

Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. М.: Изд-во

АН СССР, 1963

Григоров Н.Л., Кондратьева М.А., Рапопорт И.Д. Космические лучи: Практикум по

ядерной физике. В. 2. М.: ГИФМЛ, 1962

Добротин Н.А. Космические лучи. М.: Изд-во АНСССР, 1963

Дорман И.В. Космические лучи, ускорители и новые частицы. М.: Наука, 1989

Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики

космических лучей. М.: Наука, 1975

Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. Солнечные космические лучи. М.: Наука, 1968

Жданов Г.Б. Частицы высоких энергий. М.: Наука, 1965

Зусманович А.Г. Галактические космические лучи в межпланетном пространстве.

Алма-Ата: Наука, 1986

Космические лучи и изотопная экология. Л.: Изд-во ФТИ, 1988

Космические лучи и солнечный ветер. Новосибирск: Наука, 1981

Космическое излучение предельно высокой энергии. Новосибирск: Наука, 1991

Лаврухина А.К., Устинова Г.К. Метеориты – зонды вариаций космических лучей.

М.: Наука,1990

Мирошниченко Л.И. Космические лучи в межпланетном пространстве. М.: Наука,

1973

Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1988

Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Космические лучи и их взаимодействие. М.:

Атомиздат, 1968

Панасюк М.И. Странники Вселенной или Эхо Большого взрыва. Фрязино: «Век-2»,

2005

Росси Б., Грейзен К. Взаимодействие космических лучей с веществом. М.: ИЛ,

1948

Сокуров В.Ф. Физика космических лучей: космическая радиация. Ростов н/Д:

Феникс, 2005

Хаякова С. Физика космических лучей. I. Ядерно-физический аспект. М.: Мир,

1973

Хаякова С. Физика космических лучей. II. Астрофизический аспект. М.: Мир, 1974

89

90

91

92

93

94

95

Контрольные вопросы

1. Где зарождаются космические лучи и как они приобретают такую громадную

энергию?

2. Какие астрофизические объекты ответственны за генерацию космических лучей;

где они расположены: в нашей Галактике или за её пределами?

3. Из чего состоят космические лучи?

4. Как химический состав космических лучей соотносится с составом звёзд во

Вселенной, с составом Солнца?

5. Как сформировался состав космических лучей?

6. Какова максимальная энергия частиц, генерируемых на Солнце во время мощных

солнечных событий?

7. Как солнечные космические лучи ведут себя в магнитном поле Земли?

Практическая работа № 13. Наблюдения за космическими лучами

на фоне ночного неба. Изучение последствий возможного редчайшего

воздействия особо тяжёлых космических ядер на ваш организм.

Лабораторные исследования космических лучей студентами

Московского государственного университета

Более двух десятков лет тому назад московские дети и их руководители,

увлекающиеся астрономией и космонавтикой в Московском городском дворце пионеров и

школьников, впервые обратили внимание на возможность непосредственного изучения

космических лучей невооружённым глазом. Во время летних экспедиций они начали

наблюдать на ночном небе слабые вспышки, возникающие при встрече высокоэнергичных

космических частиц с атомными ядрами газов воздуха. Первичные заряженные частицы с

энергией больше 1013

эВ образуют в воздухе так называемые широкие атмосферные

ливни, состоящие из вторичных частиц. В журналах наблюдений записываются звёздные

величины вспышек, формы и ориентации вспышечных областей размерами в несколько

квадратных градусов. Наносятся положения вспышек на карту звёздного неба. Выявлены

основные формы вспышек: круг, кольцо, эллипс, конус, струя, фронт. При проведении

наблюдений одновременно в нескольких пунктах можно делать заключения о

пространственном положении и структуре широких атмосферных ливней.

В пятидесятые годы прошлого столетия с помощью высотных ракет были проведены

эксперименты по оценке степени воздействия особо тяжёлых космических частиц

сверхвысокой энергии на кожу человека. Тяжёлые космические ядра регистрируются на

Земле в ничтожном количестве, но при пролёте через живые ткани они поражают клетки

очень сильной местной ионизацией. На высотной геофизической ракете учёные подняли

на границу земной атмосферы небольшой кусок человеческой кожи, обеспечив её

жизнеспособность. После прямого космического экспонирования кожа была возвращена

на Землю и вновь пришита к «родительскому» месту. Примерно через восемь месяцев на

приживлённом лоскутке кожи проявились небольшие пятнышки коричневого «загара».

Это произошло в местах ударов тяжёлых ядер космических лучей. Эти пятнышки очень

напоминают всем известные родинки. Так возникло предположение, что родинки

человека – это следы пролёта через его организм редчайших в природе особо тяжёлых

космических ядер. Если это так, то ещё одной частью практической работы по

космическим лучам может быть «инвентаризация» своих собственных родинок,

установление числа их пар, соответствующих пролётам тяжёлых космических ядер через

ваш организм.

В Московском госуниверситете создана установка, регистрирующая космические

лучи для оценки их энергии на студенческих лабораторных занятиях. Схема этой

96

установки (приведена на таблице 31.9) не слишком сложна и это устройство может быть

изготовлено самими студентами.

Список литературы

Архангельский С.П. Лечение кожных болезней. Л.: Медицина, 1971

Григоров Н.Л., Кондратьева М.А., Рапопорт И.Д. Космические лучи: Практикум по

ядерной физике. В.2. М.: ГИФМЛ, 1962

Жданов Г., Тиндо И. Лаборатории в космосе. М.: Мол. гвардия, 1959

Иванов А.В., Алексанян Г.Г., Петров А.А. Визуальные наблюдения широких

атмосферных ливней // Земля и Вселенная, 1987, № 4, с. 65-67

Штейнлухт Л.А., Зверькова Ф.А. Болезни кожи детей грудного возраста. М.: Медицина,

1979

Тема: Магнитные и гравитационные поля и бури во Вселенной и в человеке

Для теоретического «вхождения» в тему исследования предлагается

проанализировать содержание таблиц 34-39.

Вопрос о внутренней природе и моделировании магнитных и гравитационных

стихий – один из самых сложных в науках о противостоянии человека природным

бедствиям и катастрофам. Все знают примеры воздействия магнитных и гравитационных,

сейсмических бурь на природу Земли и человека, но глубинный механизм их действия до

сих пор окончательно не проявлен, способы их предсказания и результативного

противодействия этим стихиям пока не очень надёжны.

Ещё в XVI веке, изучая магнитные свойства собственноручно изготовленного

намагниченного шара, английский физик У. Гильберт пришёл к выводу, что эти

обнаруженные свойства соответствуют магнитным свойствам Земли, то есть наша планета

является большим магнитом. Учёный первым ввёл понятие магнитного поля как сферы

действия намагниченного тела.

Если Гильберт проводил свои эксперименты с маленьким шаром, выточенным из

магнетита, то норвежский физик К. Биркеланд изготовил тереллу из сферического

электромагнита и поместил её в большую вакуумную камеру, чтобы смоделировать

условия космоса. Облучаемая потоками электронов, фосфоресцирующая поверхность

шара расцвечивалась спиралями вокруг магнитных полюсов. Можно было видеть

процессы огибания электронами модели Земли, перемещения частиц от полюса к полюсу.

Впоследствии эти опыты были повторены и другими учёными с применением более

совершенной техники. Соотечественник Биркеланда К. Штермер вычислил круговые

орбиты заряженных частиц в плоскости магнитного экватора. Открытый таким образом

кольцевой ток был принят за основную причину магнитных бурь в посвящённой им

научной теории Биркеланда-Штермера.

Тщательные исследования особенностей магнитного поля Земли помогли

расшифровать главные черты магнитосферы Солнца. Солнечное магнитное поле

образовано двумя главными составляющими: полоидальной (вдоль меридиана светила) и

тороидальной (вдоль параллелей). Далее мы ещё приостановимся на анализе этой

особенности Солнца.

В обилии интересных научных фактов по данной теме вы можете убедиться,

заглянув хотя бы в некоторые немногие книги, перечисленные в прилагаемом списке

литературы.

97

98

99

100

101

102

103

Если Гильберт проводил свои эксперименты с маленьким шаром,

выточенным из магнетита, то норвежский физик К. Биркеланд изготовил Внимательно ознакомившись с приведёнными в пособии сведениями, выскажите

своё понимание магнитных и гравитационных стихий, дайте их природе своё толкование.

В начале обмена мыслями по существу гравитации предлагается познакомиться с таким

суждением о её природе.

Так почему падает яблоко?

Пожалуй, нет другой такой ощутимой и в то же время непонятной загадки природы,

как само существование всемирного тяготения. Чтобы понять, что значит оно для

человека, нужно представить себе безжизненный мир Луны. Сила тяжести, всего лишь в

шесть раз меньшая земной, не в состоянии удержать на планете ни атмосферы, ни воды

океана. По словам Эйнштейна, тайна тяготения – одна из проблем, к которым надолго

привязано «табу». В своё время, излагая «систему мира», П. Лаплас записал, что познание

сил притяжения «служит главной целью исследования природы». Намного опережая своё

время, английский физик М. Фарадей искал связь между тяготением и электричеством.

Подобными исследованиями занимаются, кстати, и современные учёные.

Десятки оригинальных экспериментов отделяют самые «первобытные» взгляды на

тяжесть, как на «естественное стремление» тел занять самое низкое к Земле положение, и

современные представления о «гравитации», как «кривизне пространства», «тёмной

материи». Может быть, гравитация – это потоки неведомых частиц-гравитонов,

всепроникающих подобно нейтрино? А может быть, скоро удастся обнаружить волны

тяготения, излучаемые «падающими одна на другую» звёздами?

За краешек великой тайны впервые заглянул Ньютон. И яблоко в ньютоновском саду

было здесь не при чём. Учёному помогли… звёзды, а точнее открытые астрономом

Кеплером эллиптические формы планетных орбит. Математически описав законы

движения тел, Ньютон тем самым нашёл удивительную связь между механическим

движением и механической силой. Вот почему не Гук, не Галилей, а именно Ньютон

открыл закон всемирного тяготения. Ведь первая в мире формула гравитации есть самое

простое математическое отражение движений планет по эллипсам вокруг Солнца. И всё

же в том, что этот закон не называется «четвёртым законом Ньютона», есть веская

причина. Ньютоновская механика убедительно объясняет лишь динамику систем,

движущихся прямолинейно и равномерно. Учёный ограничил круг своей механики

законами для инерциальных систем и большего по тем временам сделать не мог:

«Открытие истинных законов тяжести должно предоставить будущему поколению».

Наши современники называют эйнштейновский вклад в науку вновь открытым

континентом научных идей. Эйнштейн первым понял, что ускоренно движущиеся

системы имеют самое непосредственное отношение к теории тяготения. Этот учёный сам

вооружал себя уникальной методикой научного исследования, позволяющей освободиться

от груза научного предубеждения, обрести свободу в мире новых физических

представлений и, в конечном счёте, открыть неизвестные закономерности Вселенной.

Вслед за созданием специальной теории относительности Эйнштейн обобщил законы

Ньютона на ускоренные движения, иначе говоря, – распространил принципы новой

теории на неинерциальные системы. В итоге изнурительной внутренней борьбы с

инерциальной системой Ньютона великий физик создал новое оружие – принцип

эквивалентности.

Представим себе утомлённого сборами пассажира, собравшегося в обычный

межпланетный рейс и уснувшего в своём кресле ещё перед стартом ракеты с Земли.

Путешественник проснулся у закрытого иллюминатора в то время, когда космический

корабль ложился на межпланетный курс с орбиты спутника Земли. Если корабль выходит

при этом из состояния невесомости с ускорением, равным земному, то пассажир не

сможет понять, какая же сила вдавила его в кресло. Или ракета всё ещё стоит на Земле, и

104

эта сила – самое обычное земное тяготение, или это ускорение при разгоне ракеты к

другой планете.

Итак, тяготение совершенно равнозначно ускорению. Ньютону эта связь казалась

случайным совпадением. У Эйнштейна же равенство гравитационной (тяжёлой) и

инертной масс стало принципом, основой теории тяготения.

Воспользовавшись принципами относительности и эквивалентности, Эйнштейн

заменил тяготение ускоренной системой отсчёта и получил свои известные «мировые

уравнения», то есть формулы, описывающие Вселенную. Однако полвека назад дать

полное объяснение теории в физических понятиях оказалось невозможным. Фактический

материал наук того времени не поддавался систематизации, соединительные звенья

теории бели ещё неизвестны. Но в мире – едином, целом мире – действуют

всеобъемлющие принципы. Это философское убеждение привело Эйнштейна к мысли о

том, что в тайны природы тяготения можно проникнуть только через геометрию, а именно

через неэвклидову геометрию! Так гравитация была отождествлена с искривлением

пространства-времени. Но геометрическая интерпретация тяготения не является

единственной.

Внешне почти незаметный груз устаревших воззрений и неправильно понятых

фактов сильно притормозил развитие гравитационной теории. Мысль Лапласа о подобии

звёздных движений хаотическим движениям молекул газа была принята Эйнштейном и

дожила до нашего времени. Наверное, поэтому в ньютоновской механике и в общей

теории относительности осевое вращение небесных тел во всех основных расчётах просто

не принималось во внимание. Это и неудивительно: учёные трёх последних веков хорошо

знали о вращении Солнца и планет, а вращение звёзд было открыто спустя год после

открытия Эйнштейном принципа эквивалентности и изучено спустя ещё двадцать лет. И

только в последние полвека прояснилась важнейшая особенность эволюции небесных тел

– вековое замедление осевого вращения из-за приливного трения.

Именно здесь и необходим принцип эквивалентности Эйнштейна. Замедление

вращения небесных тел и есть ускорение силы тяжести на поверхности планет и звёзд.

Сферическая симметрия гравитационного поля Земли подтверждает этот вывод.

Список литературы по магнетизму

Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971

Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Ч. I, II. М.: Мир, 1974, 1975

Белов К.П., Бочкарёв Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе. М.: Наука, 1983

Бинги В.Н. Магнитобиология. М.: ИММЕДИС, 2002

Бочкарёв Н.Г. Магнитные поля в космосе. М.: Наука, ГРФМЛ, 1985

Васильев Н.В., Богинич Л.Ф. Влияние магнитных полей на процессы инфекции и

иммунитета. Томск, 1973

Владимирский Б.М., Нарманский В.Я., Темурьянц Н.А. Космические ритмы: в

магнитосфере-ионосфере, в атмосфере, в среде обитания; в биосфере-ноосфере, в

земной коре. Симферополь, 1994

Владимирский Б.М. Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли. М.:

Наука, 1971

Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли. М.: Наука, 1971

Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните-Земле. М.: Изд-во АН

СССР, 1956

Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974

Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности (справочное пособие). М.:

Гидрометеоиздат, 1977; 2-е изд. – М.: Изд-во ЛКИ, 2007

Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2003

Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М.: Наука, 1982

105

Казимировский Э.С. Планета в космической плазме. Л.: Гидрометеоиздат, 1990

Киренский Л.В. Магнетизм. М.: Наука, 1967

Коваленко А.П. Приключения путеводной стрелки. М.: Мысль, 1991

Копылов И.П. Космическая электромеханика. М.: Высш. школа, 2005

Красовский В.И. Штили и штормы в верхней атмосфере. М.: Наука, 1971

Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Неведомый пульс Земли. М.: Вече, 2005

Мизун Ю.Г., Мизун П.Г. Космос и здоровье. М.: Знание, 1984

Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981

Николаев Ю.С., Рудаков Я.Я., Мансуров С.М., Мансурова Л.Г. Секторная структура

межпланетного магнитного поля и нарушения деятельности центральной нервной

системы. М.: Медицина, 1976

Паркер Е. Космические магнитные поля. ТТ. 1,2. М.: Мир, 1982

Почтарёв В.И. Земля – большой магнит. Л.: Гидрометеоиздат, 1974

Почтарёв В.И., Михлин Б.З. Тайна намагниченной Земли. М.: Педагогика, 1986

Солнечная и солнечно-земная физика: Иллюстрированный словарь терминов. М.:Мир,

1980

Соловьёва В.А. Магнитные бури и ваше здоровье. М.: Аст; СПб: Астрель-СПб, 2007

Справочник по переменному магнитному полю Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1954

Физика магнитосферы. М.: Мир, 1972

Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976

Электромагнитные поля в биосфере. ТТ. 1,2. М.: Наука, 1984

Ягодинский В.Н. Космический пульс биосферы. М.: Знание, 1975

Ягодинский В.Н. Нами правит Космос. М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2003

Яновский Б.М. Земной магнетизм. Ч. I. Л.: Изд-во ЛГУ, 1964

Список литературы по гравитации

Апанович И.А. Гравитация. Прошлое, настоящее и будущее вечно движущегося мира.

Красноярск, 2006

Асипова К.В. Есть ли тяготение закон? Сергиев Посад: «Весь Сергиев Посад», 2005

Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. М.: Энергоатомиздат, 1990

Бергман П. Загадка гравитации. М.: Наука, 1969

Бонди Г. Относительность и здравый смысл. М.: Мир, 1967

Васильев М.В., Климонтович Н.Ю., Станюкович К.П. Сила, что движет мирами. М.:

Атомиздат, 1978

Вейнберг С. Гравитация и космология. Волгоград: Платон, 2000

Бесс Ю., Бессер Дж. Суперсимметрия и супергравитация. Новокузнецк: ФМИ, 1998

Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М.: Атомиздат, 1967

Григорьев В.И., Мякишев Г.Н. Силы в природе. М.: Наука, 1978

Грушинский Н.П., Грушинский А.Н. В мире сил тяготения. М.: Недра, 1985

Гулиа Н.В. Инерция. М.: Наука, 1982

Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Общая теория относительности в физической картине мира.

М.: Знание, 1970

Денисов В.И., Логунов А.А. Новая теория пространства, времени и гравитации. М.: Изд-

во АН СССР, 1981

Дикке Р. Гравитация и Вселенная. М.: Мир, 1972

Дирак П.А.М. Общая теория относительности. М.: Атомиздат, 1978

Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М.: Мир, 1981

Курганов В. Введение в теорию относительности. М.: Мир, 1968

Кузнецов Б.Г. Беседы по теории относительности. М.: Изд-во АН СССР, 1963

Ландау Л.Д., Румер Ю.Б. Что такое теория относительности. М.: Сов. Россия, 1963

Либшер Д.-Э. Теория относительности с циркулем и линейкой. М.: Мир, 1980

106

Лилли С. Теория относительности для всех. М.: Мир, 1984

Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высш. школа, 1976

Нарликар Дж. Гравитация без формул. М.: Мир, 1985

Подольный Р.Г. Чем мир держится? М.: Знание, 1978

Подольный Р.Г. Чертёж мироздания. М.: Моск. рабочий, 1987

Смородинский Я.А. Тяготение. М.: Знание, 1975

Федорин Е.Д. Силы в природе: характер и действие. М.: Новый Центр, 2006

Франкфурт У.И. Очерки по специальной теории относительности. М.: Изд-во АН СССР,

1961

Шмутцер Э. Теория относительности – современное представление. М.: Мир, 1981

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения на крупных небесных телах тороидального и

полоидального магнитных полей?

2. Каковы методики изучения магнитных полей в космосе?

3. Расскажите о причинах возникновения магнитных бурь в космосе и на Земле.

4. По каким механизмам развиваются магнитные бури?

5. Каковы отрицательные последствия магнитных бурь?

6. Как прогнозируются магнитные бури?

7. Как развивается международное сотрудничество при изучении магнетизма на Земле

и в космосе?

8. Каковы этапы изучения на Земле сил гравитации?

9. Какова роль приливообразующих сил в истории Земли, других планет и Солнца?

10. Каковы природа и механизм сейсмических явлений на планетах и звёздах?

11. Каковы современные достижения гелиосейсмологии?

12. Какова методика гелиосейсмологических исследований

13. Гравитационные волны – что это?

Практическая работа № 14. Задача Эйнштейна

Цель работы: исследование поведения фундаментальных сил природы с помощью

внешне как будто бы несложных экспериментов и наблюдений. В середине двадцатых

годов прошлого столетия Эйнштейн «покинул» практическую физику. До конца жизни он

работал почти один в мире общих идей математики и философии. До последних дней

пытался усовершенствовать теорию тяготения, анализировал по этому поводу множество

природных явлений, в основе которых так или иначе, явно или скрытно, но основным

«действующим лицом» всегда проступала гравитация. Учёный обратил внимание даже на

такой повседневный житейский факт, как помешивание ложечкой сахара в стакане с чаем.

Призадумался Эйнштейн над поведением чаинок и опубликовал в одном из научных

журналов очень незаурядную задачу. В переводе с оригинала она формулируется так:

«Возьмём наполненный чаем сосуд с плоским дном. На дне сосуда должно

находиться несколько крупных чаинок, прочно удерживающихся у дна вследствие того,

что их вес больше веса вытесненной ими жидкости. Начнём вращать ложечкой жидкость,

и чаинки тотчас же соберутся в центре дна чашки».

Почему? Какова причина данного явления?

На первый взгляд всё в этой задачке так просто-естественно и в то же время более

чем загадочно и замысловато. Выдающийся российский математик академик М.А.

Лаврентьев как-то заметил, что подробное и полноценное количественное решение этой

задачи может быть основой исследования в кандидатской диссертации.

107

Попробуйте и вы решить эту задачу хотя бы не на количественном, а на

качественном уровне. Для более глубокого понимания существа задачи некоторые

исследователи предлагают воспользоваться в этом нехитром эксперименте не только

стаканом и чайной ложечкой, но и целой кастрюлей, установленной на вращающийся

диск проигрывателя, который может вращаться в режимах ускорения и замедления.

Оформление результатов практической работы: составьте краткий отчёт о

проведённом эксперименте. Изложите свои собственные суждения о явлениях,

наблюдавшихся в ходе эксперимента.

Ещё одна «попутная» задача. Не только на крутых, но и на очень пологих склонах

Тянь-Шаня известны валуны-путешественники, которые иногда называют

«странствующими», «блуждающими», «бороздящими», «пашущими», «валунами-

бульдозерами». Вёснами льдистый грунт под такими валунами становится настолько

киселеобразным, что валуны скользят вниз по склонам, сминая перед собой в валик

дерновый покров. По путям движения валунов остаются ложбины длиной до трёх

десятков метров.

А вот в Северной Америке валуны скользят по идеально горизонтальной

поверхности дна высохшего солёного озера. Здесь зарегистрированы ложбины длиной до

километра, ложбины изогнутые и даже петляющие. Каким образом столь тяжёлые камни

преодолевают столь немалые расстояния по столь сложным траекториям?

Список литературы

Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. М.: Мир, 1984

Лаврентьев М.А. О некоторых загадках природы // Наука и жизнь, 1965, № 7

Ланцош К. Альберт Эйнштейн и строение космоса. М.: Наука, 1967

Львов В.Е. Эйнштейн. М.: Мол. гвардия, 1959

Френкель В.Я., Явелов Б.Е. Эйнштейн изобретения и эксперимент. М.: Наука, 1990

Хофман Б. Альберт Эйнштейн – творец и бунтарь. М.: Прогресс, 1983

Эйнштейн и философские проблемы физики ХХ века. М.: Наука, 1979

Тема: Кометные опасности

Краткая история исследования комет, различные способы их изображения,

фотографирования, изучение структуры, состава, кометных орбит наземными и

внеземными средствами приведены в таблицах 40-51.

Список литературы

Активные процессы в кометах. Киев: Наукова думка, 1967

Баранов В.В. Газодинамическое взаимодействие кометных атмосфер с солнечным ветром

// Соросовский образовательный журнал, 1997, № 1, с. 65-72

Беляев Н.А., Чурюмов К.И. Комета Галлея и её наблюдение. М.: Наука, 1984

Всехсвятский С.К. Кометы в солнечной системе. М.: Знание, 1974

Всехсвятский С.К. Природа и происхождение комет и метеорного вещества. М.:

Просвещение, 1967

Всехсвятский С.К. Физические характеристики комет. М.: ФМГ, 1958

Гетман В.С. Внуки Солнца: Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989

Глазенап С.П.Кометы. СПб., 1910

Давыдов В.Д. Загадки кометных ядер. М.: Знание, 1988

Добровольский О.В. Кометы. М.: Наука, 1966

Исследования комет по программе МГСС. Киев: Наукова думка, 1964

108

Колдер Н. Комета надвигается. М.: Мир, 1984

Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984

Левин Б.Ю., Симоненко А.Н. Комета Галлея. М.: Знание, 1984

Марочник Л.С. Свидание с кометой. М.: Наука, 1985

Марочник Л.С. Экспедиция к комете Галлея. М.: Знание, 1987

Орлов С.В. Природа комет. М.-Л.: Гостехиздат, 1944

Поннамперуна С. (ред.) Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984

Структура и эволюция космических объектов. Алма-Ата: Наука, 1987

Телевизионная съёмка кометы Галлея. М.: Наука, 1989

Томита К. Беседы о кометах. М.: Знание, 1982

Уипл Ф.Л. Природа комет: Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984

Чурюмов К.И. Кометы и их наблюдение. М.: Наука, 1980

Шульман Л.М. Динамика кометных атмосфер. Киев: Наукова думка, 1972

Шульман Л.М. Ядра комет. М.: Наука, 1987

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

Контрольные вопросы

Каков механизм газообразования в кометах?

Каковы причины ионизации молекул в кометах?

Каково происхождение комет?

Каково механическое и химическое устройство комет?

Расскажите об особенностях классификации комет.

Какова связь комет с метеорным веществом и астероидами?

Каковы причины вспышек в ядрах комет?

Каковы причины своеобразия кометных форм?

Какую опасность несут с собой кометы?

Практическая работа № 15. Ситуационная задача –

выяснить причины Тунгусской катастрофы 1908 г.

Цель работы: освоение методологии сложных научных разработок,

связанных с составлением панорамы версий о природе феномена,

критическим анализом основных подходов к изучению феномена и

результатов промежуточных исследований.

Ход работы:

а) изучение спектра альтернативных гипотез о феномене;

б) концентрация и систематизация представительных материалов о

феномене;

в) попытки самостоятельной реконструкции и интерпретации явления;

г) участие в полемике по поводу итогов практической работы группы.

Оформление результатов: написание отчёта о практической работе.

Содержание отчёта:

а) описание хода личного исследования проблемы;

б) формулировка оснований для конечной самостоятельной

интерпретации природы феномена;

в) формулировка заключения;

г) особенности личного участия в общей полемике.

Список литературы

Бронштэн В.А. Тунгусский метеорит: история исследований. М.: Изд-ль

Сельянов, 2000

Васильев Н.В. Тунгусский метеорит: космический феномен лета 1908 г. – М.,

Русская панорама, 2004

Войцеховский А.И. Тунгусский метеорит и загадки кометы Галлея. М.: Вече,

2001

Войцеховский А.И. Тунгусский метеорит: 100 лет великой загадке. – М.:

Вече, 2008

Войцеховский А.И. Что это было? Тайна Подкаменной Тунгуски. М.: Знание,

1991

122

Вронский Б. Тропой Кулика. М.: Мысль, 1977

Катастрофические воздействия космических тел. – М.: Академ книга, 2005

Кринов Е.Л. Тунгусский метеорит. М.: Изд-во АН СССР, 1949

Ромейко В.А., Тунгусский метеорит: поиски и находки. – М.: МИОО, 2004

Смирнов О.Г. Космические и земные катастрофы. – М.: Компания Спутник+,

2007

100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее: Тезисы

докладов междунар. конф. 26-28 июня 2008. Москва. – М.: ИДГ РАН,

2008

Феномен Тунгуски: многоаспектность проблемы. – Новосибирск, Агрос,

2008

Спектр гипотез Некоторые этапы реконструкции и

интерпретации явления I. Болидные

II. Метеоритные

III. Кометные

IV. Геолого-геофизические

V. Электрические

VI. Техногенные

VII. Космические

VIII. Синтетические и т.д.

1. Оценка высоты взрыва и эксплозивных структур

2. Выяснение особенностей рассеивания материала

Тунгусского космического тела (ТКТ)

3. Оценка плотности и скорости ТКТ, его

вещественного состава

4. Характеристика траектории ТКТ

5. Объяснение особенностей вывала леса на месте

катастрофы

6. Выяснение особенностей рассеивания материала

ТКТ и т.д.

Тема: Метеоритные и метеорные опасности

В таблицах 52-69 содержится краткая информация о классификации

минералов и метеоритов, сведения о петрохимическом составе и

микроструктуре метеоритов, данные о падении метеоритов на Урале. Кроме

того, кратко изложены материалы о космической пыли и микрометеоритах, о

метеорных потоках и системах их наблюдений.

Список литературы Астапович И.С. Метеоритные явления в атмосфере Земли. М.: ГИФМЛ, 1958

Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдения. М.: Наука, 1987

Бредихин Ф.А. Этюды о метеорах. М.: Изд-во АН СССР, 1954

Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987

Войткевич Г.В. Химическая эволюция солнечной системы. М.: Наука, 1979

Волощук Ю.И., Кащеев Б.Л., Кручиненко В.Г. Метеоры и метеорное

вещество. Киев: Наукова думка, 1989

Воробьёв Г.Г. Что вы знаете о тектитах? М.: Наука, 1966

Гетман В.С. Метеоры и метеориты. М.: Знание, 1984

Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука,

1989

123

Додд Р.Т. Метеориты. Петрология и геохимия. М.: Мир, 1986

Еремеева А.И. Рождение научной метеоритики. М.: Наука, 1982

Еремеева А.И. История метеоритики: Истоки. Рождение. Становление.

Дубна: Феникс+, 2006

Заварицкий А.Н., Кваша Л.Г. Метеориты СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1952

Кащеев Б.Л., Лебединец В.И., Лагутин М.Ф. Метеорные явления в атмосфере

Земли. М.: Наука, 1967

Кринов Е.Л. Вестники Вселенной. М.: Географгиз, 1963

Кринов Е.Л. Железный дождь. М.: Наука, 1981

Кринов Е.Л. Метеориты. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948

Кринов Е.Л. Основы метеоритики. М.: ГИТТЛ, 1955

Кузнецова Л.И. Вестники Вселенной. М.: Знание, 1980

Лебединец В.И. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль. Л.:

Гидрометеоиздат, 1981

Левин Б.Ю. Физическая теория метеоров и метеорное вещество в солнечной

системе. М.: Изд-во АН СССР, 1956

Ловелл Б. Метеорная астрономия. М.: Физматгиз, 1958

Мак Кинли Д. Методы метеорной астрономии. М.: Мир, 1964

Метеоритные структуры на поверхности планет. М.: Наука, 1979

Метеорные явления в атмосфере Земли. М.: Физматгиз, 1958

Мэйсон Б. Метеориты. М.: Мир, 1965

Святский Д.О. Астрономические явления в русских летописях. Пг., 1915

Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979

Тектиты. М.: Мир, 1966

Угроза неба: рок или случайность? Под ред. А.А. Боярчука. М.:

Космосинформ, 1999

Федынский В.В. Метеоры. М.: Гостехиздат, 1956

Фесенков В.Г. Метеориты и метеорное вещество. М.: Наука, 1978

Чирвинский П.Н. Палласиты. М.: Недра, 1967

Контрольные вопросы

1. Каким образом учёные устанавливают лунное или марсианское

происхождение метеоритов?

2. Почему метеориты называют зондами солнечной системы?

3. Какова природа и эволюция метеорных потоков?

4. Как образуются метеоритные кратеры?

5. Каковы метеорная и метеоритная опасности на околоземных орбитах?

6. Каков ущерб космическим аппаратам от микрометеоритов?

7. Какими способами собираются и изучаются на Земле космические

пылинки?

8. Как устроена информационно-измерительная система для метеоров и

метеорного вещества?

9. Как движутся и дробятся метеориты в атмосфере Земли?

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Практическая работа № 16. Ситуационная задача – дать минералогическую и

петрохимическую характеристику метеоритам, выпавшим на Урале

Список литературы

Баньковский Л.В. Оханский метеорит // Памятники природы Пермской области. Пермь:

Перм. кн. изд-во, 1983. С. 65-68

Дьяконова М.И., Харитонова В.Я., Явнель А.А. Химический состав метеоритов. М.:

Наука, 1979

Заварицкий А.Н., Кваша Л.Г. Метеориты СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1952

Кузнецова Л.И. Вестники Вселенной. М.: Знание, 1980

Тетаев М. Метеорит Стерлитамак: год спустя // Наука Урала, 1991, № 25 (525), июль. С. 2

Тютюникова Л. «Пришельцы» из космоса // Березники вечерние, 2007, № 10 (731), 14

марта

Хотинок Р. О наблюдении ярких болидов и поиске метеоритов // Наука и жизнь. 1998, №

1. С. 47-49

Чирвинский П.Н. Палласиты. М.: Недра, 1967

Тема: Астероидные опасности

В таблицах 70-78 приведена сжатая информация о классификации астероидов,

возможном их составе и свойствах, об изучении астероидов с помощью автоматических

межпланетных станций. Даны некоторые сведения о генетическом единстве астероидов и

метеоритов. Названы несколько ныне известных наиболее опасных астероидов, орбиты

которых пролегают в относительной близости к Земле. Охарактеризована принятая среди

современных учёных шкала астероидной опасности.

Список литературы

Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. М.: Наука, 1977

Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989

Дёмин В.Г. Судьба Солнечной системы. М.: Наука, 1975

Дёмин В.Г., Журавлёв С.Г. Астероиды: происхождение, статистика и эволюция // Итоги

науки и техники. Сер. Астрономия. 1979.- 15.

Малые планеты. М.: Наука, 1973

Приливы и резонансы в Солнечной системе. М.: Наука, 1975

Путилин И.И. Малые планеты. М.: Гостехиздат, 1953

Рябов Ю.А. Движение небесных тел. М.: Физматгиз, 1962

Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979

Симоненко А.Н. Астероиды, или тернистые пути исследований. М.: Наука, 1985

Современные проблемы небесной механики и астродинамики. М.: Наука, 1973

Чеботарёв Г.А., Шор В.А. Структура пояса астероидов: Труды Института теоретическ.

астрономии: В. 15. Л.: Наука, 1976

Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и

космонавтике. М.: Машиностроение, 1980

Контрольные вопросы

1. Что такое резонансность в мире больших и малых планет?

2. Что такое люки Керквуда, как они образуются?

143

3. Какие новые сведения об астероидах получены с помощью автоматических

межпланетных станций?

4. Какими космическими силами формируется рельеф астероидов?

5. Как оценивается на Земле астероидная опасность?

6. Астероиды и астроблемы: какая связь между ними?

7. Есть ли спутники у астероидов?

8. Какие общие особенности связывают между собой астероиды и метеориты?

9. Какие способы защиты разработаны учёными для предотвращения падения

астероидов на Землю?

10. Какие технические устройства и их системы способны вести мониторинг

астероидной опасности?

Практическая работа № 17. Ситуационная задача –

провести исследование генетической связи между

кометами, астероидами и метеоритами

Цель, ход работы, оформление результатов, содержание отчёта аналогичны

таковым в практических работах №№ 15,16.

Список литературы

Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987

Воронцов-Вельяминов Б.А. Лаплас. М.: Наука, 1985

Всехсвятский С.К. Природа и происхождение комет и метеорного вещества. М.:

Просвещение, 1967

Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989

Левин Б.Ю. Физическая теория метеоров и метеорное вещество в солнечной системе. М.:

Изд-во АН СССР, 1956

Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979

Фесенков В.Г. Метеориты и метеорное вещество. М.: Наука, 1978

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

Тема: Опасности Активного Солнца

В предшествующих разделах пособия мы охарактеризовали целый ряд

космических опасностей, некоторые научные методы их изучения и способы

противостояния им. Автор упомянул о содержании некоторых приёмов исследования

опасных явлений, в основном тех, которые доступны современному студенчеству, не

ориентированному специально на астрофизику и космонавтику.

В заключительном разделе данного пособия приведём полученные знания в

систему. Главным её «действующим лицом», конечно же, выступает Солнце. Именно

к нему сходятся все «ниточки» исследований по опасности космоса. Одна из задач

этого раздела пособия – приобрести определённый системный взгляд на наше светило,

необходимый в том числе и для того, чтобы ещё раз самостоятельно и уверенно

пройти с научным анализом по всему миру космических опасностей, выработать своё

собственное отношение к этим опасностям на основе единого мировоззрения.

Вторая половина двадцатого столетия привнесла в исследования Солнца

совершенно неожиданные для астрономов прошлых времён открытия. Назовём и

кратко изложим существо этих открытий по порядку.

1. В 1960 г. американский астрофизик Лейтон обнаружил, что наше светило дышит

с периодом 5 минут. Несколько позже эти колебания были идентифицированы

как глобальные моды собственных акустических колебаний Солнца. В 1976 г.

А.Б. Северный и его сотрудники открыли глобальные колебания светила со

стабильным периодом 160 минут. Обнаружены колебания Солнца и с другими

периодами. Так родилось новое направление солнечных исследований, которое

назвали гелиосейсмологией. Пользуясь достижениями земной сейсмологии,

удалось быстро усовершенствовать высокоточные гелиосейсмологические

методы и доказать, что структуризация охватывает все глубины на Солнце.

2. В 1973 г. на околоземную орбиту выведена космическая лаборатория «Скайлэб»,

которая впервые позволила оперативно отслеживать все пространственные

взаимоотношения солнечных явлений в проекциях на поверхность Солнца,

достигла высокой точности и результативности в рентгеновских исследованиях

светила (таблицы 79-80). Были открыты многие, ранее неизвестные особенности

строения и жизни Солнца, непрерывно запускающего на околосолнечные орбиты

или в межпланетное пространство разнообразные плазменные сгустки вещества.

3. В 60-е годы сравнительно простые солнечные магнитографы были заменены на

новые высокочувствительные многоканальные системы, которые позволили

измерять пространственные магнитные поля на разных глубинах солнечной

атмосферы и даже в недрах Солнца. Благодаря этому обнаружена сверхтонкая

структура многих солнечных образований. В 1961 г. Бэбкок установил, что в

активных областях всплывают из глубин светила магнитные поля в виде

спирально закрученных вертикальных и наклонных магнитных жгутов,

напоминающих в общем картину поднимающегося ветвистого дерева (Врабец,

Цваан и др.). Астроном Дж.Г. Пиддингтон из Национальной лаборатории

измерений в Сиднее воссоздал в высокой степени упорядоченную детальную

картину подъёмов магнитных жгутов из солнечных недр (1979). Пиддингтон

обосновал также концепцию взаимопереходов солнечных тороидального и

полоидального магнитных полей (табл. 81).

154

155

156

157

4. Ранее считалось вполне естественным, что наше светило есть ни что

иное как вполне однородный раскалённый газовый шар. Оказалось же,

что кроме элементарной грануляции фотосферы есть ещё

супергрануляция, гипергрануляция и множество других проявлений

дискретности, структурированности как солнечной поверхности, так и

недр Солнца.

В книге С.И. Вайнштейна и др. (1989) приведена следующая

классификация фотосферных полей по масштабам их развития:

- сверхтонкая структура (меньше 107 см);

- мелкомасштабные поля (поля гранул 3·107 см и более мелкие);

- поля супергранул и солнечных пятен (3·109 см);

- гигантские поля и структуры (3·1010

- 1011

см);

- глобальные поля (свыше 1011

см).

5. Многие астрономы-наблюдатели обратили внимание на кинематику и

динамику систем вполне чётко выраженных спиралевидных и

дугообразных структур, проявляющихся не только на поверхности

солнечных пятен и в их окрестностях, но и в группах солнечных пятен и

в комплексах активности, включающих несколько групп. На Солнце

обнаружены также глобальные дугообразные структуры,

простирающиеся в обоих солнечных полушариях и свободно

переходящие из одного полушария в другое. Наиболее обстоятельный

цикл работ по дугообразным структурам на Солнце в низших их классах

выполнила ташкентская исследовательница З.Б. Коробова со своими

коллегами (1989, 1991 и др., табл. 82).

6. Своеобразных типичных разномасштабных структур на Солнце

обнаружилось столь большое множество, что их оказалось возможным

изучать с помощью такой универсальной области научного знания, как

фрактальная геометрия. Известный астроном-наблюдатель

Э.И. Могилевский, посвятивший этому вопросу более трёх десятков лет

исследований, написал специальную монографию «Фракталы на

Солнце» (2001). Много лет астрофизики обсуждают вопрос об

очертаниях элементарных солнечных «кирпичиков» – фракталов.

Сравнивают их с овалами, каплями, зёрнами, травяными и древесными

ланцетными листьями, крыльями бабочек и другими простыми и

сложными формами природы. Несколько фильтрограмм и

спектрогелиограмм с изображениями характерных форм

разномасштабных солнечных структур приведены на таблице 83.

Интересным является также вопрос о динамических особенностях этих

структур в активных областях и комплексах активности Солнца.

В подписи к рис. 3 (табл. 81) упоминается такое солнечное

образование, как прилегающий к внешней границе пятна ров. Эта

кольцевая зона вокруг всего пятна или некоторой его части была

выделена по существенно ослабленному в этом месте магнитному полю

(Гарви К., Гарви Дж.. 1963). Ширина рва достигает 20 тыс. км и более,

158

он накатывается вместе с активным краем солнечного пятна на

159

160

прилегающее фоновое поле и устойчиво существует до шести дней.

Астрономов-солнечников весьма занимает поиск природы светлого

фотосферного вещества, постепенно заполняющего рвы и образующего

так называемые световые мосты (табл. 84).

6. 7. Взглянуть «в упор» на световые мосты и другие столь же загадочные

солнечные образования позволили современные космические зонды

самых различных конструкций и назначений (табл. 85). О том, какое

впечатление производят передаваемые ими телевизионные

фотоизображения на астрономов, рассказывает известный английский

учёный Д. Уайтхаус в недавно вышедшей книге «Биография Солнца»

(2008). Процитируем несколько строк:

7. «Исследование Солнца из космоса коренным образом изменило наше

представление об этой звезде. Во время путешествия по солнечной

системе были взяты и изучены образцы солнечного ветра и исследованы

взрывные волны; зонды «заглянули» прямо в сердце солнечных пятен и

увидели как языки пламени разрезают магнитные поля и проливается

перегретый газ».

Приведённый здесь перечень семи последних открытий на Солнце,

конечно же, не является полным, но и всего перечисленного достаточно,

чтобы определиться с общим направлением современных солнечных

исследований. А направление это весьма прозрачно: предстоит появление

полной аргументации о том, что Солнце – звезда более позднего класса.

Графики эволюции нашего светила, рассчитанные в начале этого пособия,

также свидетельствуют о том, что Солнце – не вполне газовый шар из

первобытной звёздной материи, а звезда с довольно далеко продвинутой,

стабильно покрывающей светило горячей корой. О незавершённости

корообразования на Солнце прежде всего свидетельствует его

дифференциальное вращение.

Как давно уже известно, наше светило на экваторе вращается быстрее,

чем на полюсе – от 26 до 37 дней, если определять период осевого вращения

Солнца относительно неподвижных звёзд. Такой период называется

сидерическим. А если период вращения светила измерять с Земли, то он

меняется от 27 до 40 дней и называется синодическим. Такая

неравномерность осевого вращения Солнца является остаточным явлением

его эволюционного развития. Вся неимоверно огромная масса Солнца

космическими приливными силами подтормаживается во вращении

несколько быстрее, чем мощный своеобразный маховик – экваториальное

кольцо, отделённое от остальной массы светила поверхностями изоротации

(см. рис. 5 табл. 81). Дифференциальное вращение постепенно исчезает при

увеличении толщины и монолитности коры. В каменной оболочке Земли

достаточно наглядно просматриваются меридиональные, широтные,

диагональные разнопорядковые структуры или их реликты. Первые два

161

названных типа структур изображены на таблицах 86 и 87. Фракталы на

162

163

164

165

166

Солнце имеют примерно такие же очертания, как и земные, что связано с

однородностью процессов векового общего сжатия крупных небесных тел.

Кора есть и у Земли, и у Солнца. Естественно, что литосферы планет и звёзд

отличаются по составу, плотности, температурам, магматическим,

плазменным и магнитным проявлениями. Но типологическое сходство между

этими корами бесспорно.

Обратите внимание, как выглядят на привычных для геологов схемах

системы подводящих магматических и вулканических каналов к отдельным

вулканическим постройкам, активным вулканическим областям или поясам

(табл. 88). Сравните теперь таблицы 81 и 88. И вы наверняка обнаружите, что

открытые на Солнце магнитные жгуты в виде деревьев («магнитные»

потому, что солнечная магма обладает высокой магнитной ёмкостью) и

земные вулканомагматические каналы по динамической сути своей есть

явления одинаковой природы.

Сравним ещё световые мосты на Солнце с динамикой и вулканизмом

рифтовых зон Земли. И снова увидим несомненные типологические аналогии

(табл. 89).

При анализе происхождения и эволюции комет, астероидов и

метеоритов постепенно выясняются особенности гравитационной

дифференциации вещества в солнечных недрах. На глубине литосфера

светила сложена преимущественно железо-никелевыми породами, которые

ближе к поверхности сменяются силикатными и углистыми образованиями.

Отсюда и само собой образовавшееся деление метеоритов на известные

классы.

Внутреннюю активность комет можно объяснить особым составом и

энергетикой выброшенной в космос солнечной материи. Лёд в кометах – это

вещество вторичного происхождения, намораживающееся в космосе при

далёких странствиях первоначально внутри горячих комет

Несомненно, что в сложных научных построениях как теоретического,

так и практического характера постоянно встречаются трудности

адекватного объяснения особенно неожиданных и запутанных природных

явлений. Однако, со временем неизбежно вполне рационально и строго

решаются и такие, на первый взгляд, совершенно нерешаемые задачи.

Например, ещё совсем недавно определяемые точными методами

температуры солнечных пятен в 300-600º С считались «совершенно

неприемлемыми». «Абсолютно нереальными» оказывались такие же и даже

ещё меньшие температуры, определённые по многим молекулярным

спектральным линиям в тенях пятен. Однако наличие мощной гелиосферы,

изолирующей внутреннее ядерное тепло светила от его поверхности, снимает

эти теоретические затруднения и открывает путь к решению многих

подобных важных, но пока ещё отодвинутых в сторону от науки как бы

«бесперспективных» задач.

В числе новых задач большой степени трудности является подробное

объяснение существования на Солнце Мирового океана, но не простой, а

167

магматической природы, например, из сжиженного газа. Конвективные

168

169

течения над таким океаном имеют, конечно, не глубинную, а приповерхностную природу.

Поражают также разнообразие и энергетика вулканических извержений на Солнце.

Именно эти идущие друг за другом извержения создали над светилом корону, нагретую

до температур в миллионы градусов. Но корона настолько разрежена, что вряд ли эти

высочайшие температуры способны оказать столь же внушительное тепловое воздействие

на поверхность солнечной литосферы. Ведь даже прилежащая к короне снизу и тоже

весьма разреженная хромосфера Солнца и верхушки конвективных течений нагреты

только до шести с небольшим тысяч градусов.

Таковы в общем могут быть обращённые к Солнцу последствия достижений научно-

технической революции прошлого ХХ века. Успешно начатое всемерное освоение

человеком космического пространства, несомненно, в нашем столетии будет интенсивно

продолжено. Вот почему вопросы и решения задач о мерах космических опасностей

постоянно приближаются к повседневной, в том числе и образовательной, реальности.

Список литературы

Агаджанян Н.А. Человек, атмосфера и Солнце. М.: Знание, 1968

Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. ЧЧ. 1,2. М.: Мир, 1974-1975

Алтынцев А.Т., Банин В.Г., Куклин Г.В.. Томозов В.М. Солнечные вспышки. М.: Наука,

1982

Анализ данных «Года Солнечного максимума». Новосибирск: Наука, 1988

Антонова Л.А., Иванов-Холодный Г.С. Солнечная атмосфера и ионосфера. М.: Наука,

1989

Брей Р., Лоухед Р. Солнечные пятна. М.: Мир, 1967

Витинский Ю.И. Солнечная активность. М.: Наука, 1983

Витинский Ю.И., Конецкий М.. Куклин Г.В. Статистика пятнообразовательной

деятельности Солнца. М.: Наука, 1986

Витинский Ю.И. Морфология солнечной активности. М.-Л.: Наука, 1966

Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.И. Солнце и атмосфера Земли. Л.:

Гидрометеоиздат, 1976

Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. Л.: Наука, 1973

Гневышев М.Н. История Служб Солнца // Историко-астрономические исследования. В.17.

М.: Наука, 1984. С. 161-184

Год Солнечного максимума. ТТ.1,2. М.: Наука, 1981

Дубкова С.И. Солнце в интерьере Галактики. М.: Белый город, 2005

Железняков В.В. Радиоизлучение Солнца и планет. М.: Наука, 1964

Зосимович И.Д. Геомагнитная активность и устойчивость корпускулярного поля Солнца.

М.: Наука, 1981

Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера. М.: Наука, 1969

Исследования солнечной активности. Ташкент, ФАН, 1991

Исследования солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984

Казимировский Э.С. Мы живём в короне Солнца. М.: Наука, 1983

Киппенхан Р. Сто миллиардов Солнц. М.: Мир, 1990

Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983

Комплексное исследование Солнца и солнечно-земных связей. Труды III международ.

совещания «КОРОНАС-И» (Калуга, 5-10.XII.1988). Л.: Изд-во ФТИ, 1989

Кононович Э.В. Солнце – дневная звезда. М.: Просвещение, 1982

Крюгер А. Солнечная радиоастрономия и радиофизика. М.: Мир, 1984

Мензел Д. Наше Солнце. М.: Мир, 1963

Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981

170

Митра А. Воздействия солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977

Миттон С. Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце. М.: Мир, 1984

Несмеянович Э.И., Несмеянович А.Т. Вспышечная активность Солнца и некоторые

индексы межпланетного и геомагнитного полей. М., 1977

Обридко В.Н. Солнечные пятна и комплексы активности. М.: Наука, 1985

Пасатофф Д.М. Солнце. М.: АСТ: Астрель, 2008

Поток энергии Солнца и его изменения. М.: Мир, 1980

Проблемы солнечной активности. М.: Мир, 1979

Проблемы солнечной активности. Л.: Изд-во ФТИ, 1991

Проблемы солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1977

Рубашев Б.М. Проблемы солнечной активности. М.-Л.: Наука, 1964

Северный А.Б. Некоторые проблемы физики Солнца. М.: Наука, 1988

Современные проблемы солнечной активности. СПб: ГАО РАН, 1997

Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л.: Гидрометеоиздат,

1974

Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1968

Солнечно-земные связи, погода и климат. М.: Мир, 1982

Солнечные вспышки. М.: Наука, 1982

Солнечный ветер и околоземные процессы. М.: Наука, 1986

Солнце в максимуме активности и солнечно-звёздные аналоги. СПб.: ГАО РАН, 2000

Солнце и солнечно-земные связи. М.: Изд-во АПН, 1979

Солонский Ю.А., Хилов Е.Д. Солнце – загадки и открытия. Л.: Знание, 1989

Уайтхаус Д. Биография Солнца. М.: ЭКСМО, 2008

Физика Солнца: Исследования по физике солнечной активности. М.: Наука, 1979

Чертков А.Д. Солнечный ветер и внутреннее строение Солнца. М.: Наука, 1985

Эйгенсон М.С. Солнечная активность и её земные проявления. М.-Л.: Гостехиздат, 1948

Энергичные частицы и фотоны солнечных вспышек. Л.: Изд-во ФТИ, 1984

Ягер Де К. Строение и динамика атмосферы Солнца. М.: ИИЛ, 1962

Контрольные вопросы

1. Каков энергетический спектр частиц, ускоренных солнечной вспышкой?

2. Какое явление служит спусковым механизмом солнечной вспышки?

3. Каковы детальные механизмы, действующие в период вслед за первоначальным

высвобождением энергии солнечной вспышки?

4. Где и как накапливается энергия для солнечной вспышки?

5. Каковы механизмы нагрева солнечной короны?

6. Какова физическая природа связи между солнечными пятнами, факелами,

флоккулами, протуберанцами, вспышками, выбросами коронального вещества?

Практическая работа № 18. Разработать схему информационной поддержки

научно-исследовательских работ и практического обеспечения

космической безопасности населения региона, страны, земного шара.

В качестве исходных данных воспользуйтесь материалами таблицы 70 и другой

содержащейся в пособии информацией.

Цель работы: знакомство и освоение одной из современных важнейших отраслей

практической астрономии – обеспечением космической безопасности населения планеты.

Ход работы: изучение литературы по теме, поиск, извлечение из банков данных

необходимой информации, анализ этой информации, её обощение в соответствии с

заданием.

171

Оформление результатов работы: составление отчёта со схемой проведённого вами

исследования и схемой информационной поддержки НИР, а также системой

практического обеспечения космической безопасности населения региона, страны,

планеты.

Список литературы

Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971

Алексеев М.А. Стихийные явления природы: проявления, эффективность защиты. М.:

Мысль, 1988

Бинги В.Н. Магнитобиология. М.: ИММЕДИС, 2002

Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Биологические опасности

космических полётов. М.: Машиностроение, 1977

Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности. М.: Астрель АСТ,

Профиздат, 2006

Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974

Здоровье, работоспособность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001.

(Космическая биология и медицина; Т. IV)

Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2003

Исследования солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984

Казимировский Э.С. Мы живём в короне Солнца. М.: Наука, 1983

Казимировский Э.С. Планета в космической плазме. Л.: Гидрометеоиздат, 1990

Куклев Ю.И. Физическая экология. М.: Высш. школа, 2001

Курбатова А.С., Мягков С.М., Шныпарков А.Л. Природный риск для городов России. М.:

НИиПИ экологии города, 1997

Мизун Ю.Г., Мизун П.Г. Космос и здоровье. М.: Знание, 1984

Мизун Ю.Г., Хаснулин В.И. Наше здоровье и магнитные бури. М.: Знание, 1991

Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981

Основы космической биологии и медицины: Совместн. совет.-америк. изд-е в 3-х тт. М.:

Наука. Т.1, 1975; т.2, кн. 1,2, 1975; т.3, 1975

Поток энергии Солнца и его изменения. М.: Мир, 1980

Проблемы солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1977

Радиационные условия в космическом пространстве: Уч. пособие. М.: Библион - Русская

книга, 2006

Русак О.Н., Малаян К.Р., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности: Уч. пособие.

СПб.: Лань; Омега-Л, 2005

Современные проблемы солнечной активности. СПб.:ГАО РАН, 1997

Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л.: Гидрометеоиздат,

1974

Солнечно-земные связи, погода и климат. М.: Мир, 1982

Соловьёва В.А. Магнитные бури и ваше здоровье. М.: АСТ; СПб.:Астрель-СПб., 2007

Угроза неба: рок или случайность? М.: Космосинформ, 1999

Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982

Чижевский А.Л.Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976

Электромагнитные поля в биосфере. ТТ.1,2. М.: Наука, 1984

Ягодинский В.Н. Космический пульс биосферы. М.: Знание, 1975

Ягодинский В.Н. Нами правит Космос. М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2003

Яковлев Н.Н. Живое и среда. Л.: Наука, 1986

172

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

«Опасные ситуации природного характера»

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

ПРИЛОЖЕНИЕ-1 СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ

ОПАСНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО ХАРАКТЕРА

И ПСИХИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

В наш век безграничных информационных возможностей специалистов

окружают «эвересты» фактов. Ориентироваться среди них, находить верные

пути к открытиям помогает наука о системах – системология. Приёмы

системного познания, их уровень, характер и качество изменялись по ходу

истории. Греческое слово «система» означает буквально «целое,

составленное из частей». Уже древние мыслители отчётливо увидели

системы, состоящие как минимум из двух элементов – органически

сплавленных между собой взаимодействующих противоположностей. Так

появилась диалектика – самый древний вариант теории сложных систем.

Короткое, звучное и ёмкое слово «система» во все времена очень любили

великие естествоиспытатели и с удовольствием включали его в названия

главных книг своей жизни. Вот эти знаменитые труды: «Система природы»

К. Линнея и «Система природы» П. Гольбаха, «Изложение системы мира»

П. Лапласа, «О горных системах» Э. де Бомона, «Образование солнечных

систем» К. Циолковского. Одним и тем же понятием успешно пользовались

философы, астрономы, геологи, биологи, химики, математики и

представители многих других отраслей знаний.

К настоящему времени сложилось следующее представление об

уровнях и направлениях системных исследований природы (таблица105 и

106):

К.Э. Циолковский К. Линней

187

188

Высокая степень целостности неорганического и органического миров

свидетельствует не только о длительном поступательном развитии всей системы

природы, но и о высоком достигнутом уровне этого развития. Реальная иерархия

и системность важнейших для жизни природных объектов стали объективной

основой особенно строгого системного подхода современных исследователей к

миру живых существ.

Первый шаг от систематики к общей теории систем был сделан

биологами. В 1923 году доцент кафедры зоологии Пермского университета

А.А. Любищев опубликовал в «Известиях Биологического НИИ» очень

примечательную для истории системологии статью. Называлась она «О форме

естественной системы организмов» и содержала совершенно новое подразделение

органического мира. Преодолевая ограниченность и односторонность

иерархического принципа при создании новой систематики Любищев предложил

руководствоваться ещё двумя принципами: комбинационным и коррелятивным.

Комбинационные, или комбинативные системы, по Любищеву, больше всего

напоминают многомерные решётки кристаллов, число измерений которых

совпадает с числом независимо изменяющихся признаков системы.

Коррелятивные же системы подобны по форме периодической системе

химических элементов, например, тому её варианту, когда периоды

располагаются в виде винтовой линии на цилиндре. Любищев вспоминал, что и до

Менделеева химики не решались отойти от иерархической системы химических

элементов. Лучшей же системой «кирпичиков Вселенной» оказалась

периодическая система, то есть система, сочетающая свойства иерархичности,

комбинативности и коррелятивности. Учёный неоднократно подчёркивал, что от

правильного методологического подхода к пониманию самого существа

системности непосредственно зависят сроки решения ключевых проблем

системологии – проблем целого, порядка, природы и числа уровней реальности.

Через четырнадцать лет после основополагающей статьи Любищева

профессор биологии Венского университета Л. Берталанфи сформулировал

основные положения теории так называемых открытых систем и сделал попытку

применить эту концепцию к объяснению эволюции органического мира.

Открытые системы, присущие миру животных и растений, австрийский учёный

противопоставил закрытым, «изолированным», техническим системам,

подчинённым в своём действии термодинамическим закономерностям. Однако

найти посредствующие звенья между формально введёнными в биологию

критериями «открытости» и «закрытости» систем оказалось необыкновенно

сложно. Позднее Берталанфи приложил немало усилий, чтобы преобразовать свои

системные построения в общую теорию систем, но положительных результатов в

этом направлении не достиг.

Современник Любищева и Берталанфи, математик, директор библиотеки

Мадрасского университета Ш. Ранганатан ещё в тридцатые годы прошлого века

разработал очень своеобразный метод многоаспектной, фасетной классификации

библиотечных фондов. Фасетный принцип Ранганатана обнаружил редкие

преимущества в соединении с современной электронной техникой и существенно

189

190

облегчил решение проблемы индексирования, хранения и поиска

многоцелевой информации. Система Ранганатана в сжатом виде выглядит

так (табл. 106а). Автор данного учебного пособия предпринял попытку

популяризовать эту схему и разработал приводимую здесь таблицу

многоаспектного индексирования научной информации по естественным

наукам (табл.106 б).

В последние десятилетия новые принципы изучения сложных

органических систем пришли в системологию из психологии, культурологии

и теории познания. Наглядное изображение совокупности этих принципов

при анализе психических и культурологических проблем приведено на

рисунке 27. Как видим, современная системология гораздо большее

внимание, чем прежде, уделяет среде, в которой рождаются и развиваются

отдельные природные системы, в том числе и сам человек.

Учебный предмет «Опасные ситуации природного характера»,

отражающий в своих основах единство и целостность законов природы,

также может рассматриваться как система и поэтому предполагает

соответствующую логику исследования, построения и реализации в

целостном педагогическом процессе. Обозначив главные контуры единой

научной картины динамичного мира, можно более аргументировано

объяснять сущность и основные механизмы устойчивого развития

общечеловеческой активности в меняющейся среде обитания. Во все времена

индивидуумы, государства или мировые сообщества так или иначе

преследовали цели гармонизации жизненно важных взаимоотношений со

средой обитания, стремились снизить уровни локальных и более крупных

рисков, добивались относительного снижения отрицательных последствий

чрезвычайных и экстремальных ситуаций.

Рис. 27

191

Несомненно, что в поисках оптимумов тактических и стратегических

взаимоотношений со средой обитания важнейшим достижением

человечества стала культура. В контексте обеспечения безопасности жизни

культура может быть определена как наивысший исторически сложившийся

в обществе уровень чувствования, мышления, действия и среды, а также как

наивысший уровень генерализующих сфер психики – сознаний и личностей

(рис. 28). Таким образом, понятие культуры безопасности жизнедеятельности

можно рассматривать как инвариант культуры в целом. Четыре основных

структурных компонента составляют культуру:

- аффективно-эмоционально-чувственный, то есть ценностно

ориентирующий по отношению к человеческой жизни, человеческому

обществу, личному, национальному и глобальному развитию;

- когнитивный, представляющий собой стиль мышления и систему

теоретических, концептуальных, методологических и фактологических

знаний;

- деятельностный, волевой, определяющий системы деятельности и

поведения в соответствии с ценностными ориентациями и принципами

безопасности жизнедеятельности;

- средовой, учитывающий пространственно-временные закономерности

среды обитания.

Именно эти компоненты культуры безопасности жизнедеятельности

оказывают наибольшее регулирующее, управляющее воздействие на

развитие сфер сознания и личности.

Рис. 28. Развитие

культуры

192

Литература

Аверьянов А.Н. Системное познание мира. М., 1985

Баньковский Л.В. К вопросу об истолковании понятий «региональная

культура» и «культура»// Современное общество: вопросы теории,

методологии, методы социальных исследований. Тезисы докладов

второй научной конференции, посвящённой памяти профессора З.И.

Файнбурга и 30-летию кафедры социологии и политологии (июнь 1994

г.). Пермь, 1994.

Безопасность жизнедеятельности: Программно-методический комплекс для

преподавателей и студентов педагогических вузов / Автор-составитель

М.В. Головачёв. Н.Новгород, 2002

Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. М.,

1973

Головачёв М.В. Дидактические основы конструирования учебного курса

«Безопасность жизнедеятельности» в системе профессиональной

подготовки учителя: Учебное пособие. Н. Новгород, 2004

Дмитриев О.Н. Системные основы маркетинга // Системный маркетинг. Т.1.

М., 2002

Литвинов Н.Н., Литвинова О.Н. Ключи систем. Соликамск, 2003

Резник Ю.М. Введение в социальную теорию. Социальная системология. М.,

2003

Садовский В.Н. Основания общей теории систем. Логико-методологический

анализ. М., 1974

Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник. 2001.

М., 2003

Сукиасян Э.Р. Ш.Р. Ранганатан и советское библиотековедение // Советское

библиотековедение, 1992, №1

Тягло А.В. Становление научной концепции целостности. Харьков: Высш.

шк., 1989

Шемакин Ю.И. Семантика самоорганизующихся систем. М.: Академич.

проект, 2003

193

194

195

196

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

МОДЕЛИРОВАНИЕ КУЛЬТУРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНИ

ЧЕЛОВЕКА И ОБЩЕСТВА

В процессе разработки «мировой модели» академик Н.Н. Моисеев

предложил следующий вариант структуры человеко-машинных систем (рис.

29):

Давая характеристику этой структуре и в частности её банкам данных,

Моисеев обратил внимание на необходимость выбора так называемой

«минимальной модели»: «В ней описан тот минимальный перечень

параметров и взаимосвязей, который должен послужить отправным пунктом

исследования. Система должна состоять из системы базовых моделей,

которые дают описание процессов, происходящих в биосфере (энергообмен в

биоте, эволюция климатологических факторов, геохимические циклы и т.д.),

и моделей человеческой активности».

При моделировании такого глобального феномена как культура

безопасности жизни человека и общества также встаёт вопрос о

«минимальной модели», то есть единой системе моделей, способной дать

целостное формализованное описание опасных динамических процессов в

природе и нашей жизни. Моделирование культуры безопасности жизни

человека и общества имеет много общих черт не только с созданием

«мировой модели», но также и с моделированием собственно культуры и

культуры здоровья.

Современные исследователи по-разному трактуют понятие «культура»,

однако никогда не отделяют культуру от самой жизни и от главных

жизненных ценностей. Культура – одна из важнейших характеристик

высокоразвитой жизни, фундаментальное её свойство и качество. Культура в

равной степени соотносима и с человечеством, и с человеком. Категория

«здоровье» столь же универсальна: при оценке уровня развития государства

Рис. 29

197

Рис. 30

198

и человека многие философы рассматривали здоровье и культуру как

синонимы: «нравственная культура – здоровье нации», «нравственное

здоровье – символ культуры». Здоровье человека и человечества по

предельно общей шкале оценок складывается из здоровья их чувственной,

мыслительной и деятельностной сфер. Культура индивидуума и мирового

сообщества включает культуру чувств и отношений, мышления и

деятельности, а также культуру среды. Естественно, что с ценностной точки

зрения народной культуры жизнь и здоровье совпадают и бытуют в

синонимичном контексте.

В поисках полноценного научного объяснения названных философско-

культурологических сентенций автор предпринял попытку дать образное,

наиболее структурированное определение понятию «культура», затем –

попытку определить один из приемлемых вариантов интегральной

концепции здоровья, чтобы получить, наконец, аргументированную научную

базу для уверенного толкования здоровья в неразрывной взаимосвязи с

культурой.

В своей педагогической практике автор на протяжении многих лет

пользуется схематическим изображением концепции культуры,

разработанной московским лингвистом и культуроведом

Ю.В. Рождественским (1996) и схемой цивилизационной пирамиды

Ю.В. Яковца (1996). Поскольку цивилизация составляет экономическую

основу культуры, обе названные схемы вполне сопоставимы и, более того,

будучи надстроенными одна на другую, составляют новое концептуальное

единство (рис. 30).

Такое образное решение концепции культуры автор назвал Башней

Культуры. Её можно рассматривать также как многоуровневую

концептуальную модель культуры. Поперечный разрез этой модели

изображён на рис. 28.

Переходя к построению образной картины концепции здоровья,

результативнее всего воспользоваться модельными построениями медицины

петербургского учёного В.М. Дильмана, дополнив его схему некоторыми

штрихами и образами (рис. 31). Растущий и развивающийся человек

изображён в виде древа. Основой и опорой человекодрева является здоровье.

По мере роста и развития человека естественно и постепенно нарушается

слаженное действие главных гомеостатов онтогенеза – энергетики,

адаптации и репродукции. Человека начинают посещать так называемые

возрастные «нормальные болезни»: ожирение, гиперадаптоз и климакс. Врач

на схеме олицетворяет представителей профилактической и лечебной

медицины, а также специалиста по медицинской информатике и

безопасности жизнедеятельности. В поле зрения врача – блоки генетических

факторов, образа жизни и валеологии. Врач размышляет о четырёх моделях

медицины, обозначенных на рисунке стрелками и буквами: А –

экологическая модель, Б – генетическая, В – онтогенетическая, Г –

валеологическая.

199

Рис. 31

200

Показатель «здоровье», в значительной мере фиксирующий воздействие

факторов окружающей среды на людей, интегрирует и обобщает всё

многообразие сторон их жизни, их устойчивость к внешним факторам,

стабильность различных функций.

Полвека тому назад достижения кибернетики позволили создать и

проверить сложные поведенческие модели человека, а П.К. Анохин

разработал теорию функциональных систем. Эти теория и модель,

разработанные в системном ключе, позволили объяснить, каким образом

организм человека с помощью механизмов саморегуляции обеспечивает

оптимальные жизненные функции и каким образом они осуществляются в

нормальных и экстремальных условиях (рис. 32).

Функциональная система состоит из рецепторных образований,

аналитических и управляющих структур мозга, исполнительных механизмов

и обратной афферентации, то есть обратной связи, информирует центр об

эффективности деятельности исполнительных механизмов и о достижении

конечного результата. Теория и модели П.К. Анохина продемонстрировали,

как саморегулирующиеся функциональные системы сложно

взаимодействуют по принципу иерархии результатов и как они в своём

действии объединяются в единый слаженно работающий организм,

Рис. 32. Общая схема функциональной системы

(по П.К. Анохину)

201

устанавливающий и поддерживающий гомеостаз при изменениях во внешней

и внутренней среде.

Преодоление организмом небольших изменений факторов среды не

вызывают серьёзного физиологического напряжения, а выход этих факторов

за пределы оптимальности вызывает особое напряжение физиологических

механизмов и включение более эффективных механизмов адаптации и иных

внутренних ресурсов организма. Всё это разнообразие дополнительных

защитных возможностей организма противодействует возникновению и

прогрессированию патологического процесса.

Рассмотрим схему устойчивости организма, разработанную

В. Линденбратеном (рис. 33). В первоисточнике схема иллюстрирует процесс

подъёма человека в высокогорье в условиях кислородного голодания.

Верхняя ломаная линия характеризует учащение дыхания при подъёме в гору

и срыв дыхания в результате снижения содержания кислорода в крови

(нижняя ломаная линия). Попробуем придать этой схеме более обобщённый

вид, рассмотрев её модельное, образное начало в духе системы В. Дильмана.

Предположим, что согласно этой схеме человек поднимается на водораздел

жизни.

Пользуясь такой схемой и её новой онтогенетической (и возрастной)

интерпретацией, уточним наглядные характеристики отметок четырёх

состояний организма: АБ – с достаточными адаптивными возможностями;

БВ – адаптация реализуется за счёт более высокого, чем в норме напряжения

регуляторных систем; ВГ – преморбидное со снижением функциональных

резервов; ГД – срыв адаптации со снижением функциональных

возможностей организма и началом патологической реакции, при которой

ставится клинический диагноз.

Анализируя адаптивные возможности организма, следует подчеркнуть

значение рационального использования ресурсов здоровья. Хотелось бы

обратить внимание студентов на тот факт, что значительная часть этих

резервов не может быть введена в действие в критические периоды пожилого

возраста, если она уже не была задействована в молодости. Каким образом

можно пользоваться этими глубоко спрятанными резервами?

Как видим из схемы (рис. 31), в составе здоровья человека заключаются,

по крайней мере, четыре мощные природные стихии: стихия среды, стихия

чувствования, стихия мышления, стихия деятельности. В зависимости от

Рис. 33

202

того, в какой пропорции этими стихиями формируется личность, необходимо

целеустремлённо достраивать своё здоровье резервами из наименее

проявленных в личности человека стихий. Так, интеллектуальный тип

личности может воспользоваться собственными резервами здоровья,

находящимися в сферах деятельности, чувств и отношений. Эмоциональный

тип личности обычно не развивает должным образом и почти не пользуется

интеллектуальной и деятельностной составляющими резерва здоровья и т.д.

Поскольку потенциальные ресурсы здоровья и ресурсы культуры человека в

сущности своей не различаются, то формирование резервов здоровья

осуществляется на фоне всестороннего культурного развития человека. Вот

почему культура жизни в значительной степени совпадает с культурой

здоровья.

На таблицах 110 и 111 показаны факторы выживания и система

взаимосвязей психических явлений в экстремальных условиях опасных

природных ситуаций. М.В. Головачёвым (2004) разработана структурно-

содержательная дидактическая модель инварианта интегрированного

учебного курса «Безопасность жизнедеятельности» (рис. 34), обозначены

междисциплинарные аспекты фундаментального понятия курса –

«опасность» (таблица 112). В рамках этой модели Головачёв выделяет в

качестве особенно востребованных целевой, содержательный и

процессуальный компоненты образования. Главная цель образования

определяется как формирование всесторонне развитой, социально-зрелой

личности, способной нести груз ответственности за судьбу земной

цивилизации и культуры, защищать не только личностно-индивидуальные,

но и общественные, государственные и общечеловеческие ценности, творить

целостный, гуманный мир, всесторонне благоприятную для жизни человека

среду обитания.

Структуру ориентированного на личность образования с таким целевым

назначением можно считать четырёхкомпонентной. На первое место, по-

видимому, следует поставить опыт эмоционально-ценностных отношений,

взятый в форме личностных ориентаций. Следующим по порядку освоения

компонентом стоит выделить интеллектуальный опыт, систему

приобретённых знаний, опыт прогнозирующего, проективного мышления.

Параллельно с эмоционально-мыслительным опытом должны быть прочно

усвоены необходимые способы деятельности (умения действовать по

образцу) вместе с опытом творческой деятельности, то есть умением

принимать нестандартные решения в проблемных ситуациях. Четвёртый

компонент образования можно назвать средовым, ситуационным или

экологическим, достижение такого опыта предопределено необходимостью

исчерпывающе изучать не только личностные возможности человека, но и

среду обитания – от внутренней среды живого организма до космического

пространства. Психологи, изучавшие корреляционные и факторные модели

личности во всех её проявлениях и процессах, обратили внимание на

целесообразность разработки психологии ситуаций и средовой психологии.

203

204

205

206

Рис. 34

207

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ

СТУДЕНТОВ ПО КУРСУ ОПАСНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО

ХАРАКТЕРА, ПО ГЕОЛОГИИ И СМЕЖНЫМ НАУКАМ

Современный прирост естественнонаучных знаний опережает темпы смены

поколений специалистов, работающих с информацией по опасным ситуациям природного

характера, геологии и смежным наукам. Различные учебные и специализированные

учреждения нашей страны и мира накопили громадный информационный потенциал в

науках о Земле.

Принцип системного подхода обеспечивает целостность представления знаний о

нашей планете за счёт введения единой методологической базы, построения единой

тактики и стратегии формирования банка данных.

Приобретение информационных знаний, выработка информационных умений

предполагает овладение рациональными приёмами самостоятельного ведения поиска

информации как ручным, так и автоматизированным способом; освоение

формализованных методов аналитико-синтетической переработки информации;

применение эффективных технологий для подготовки и оформления результатов своей

самостоятельной познавательной деятельности.

Полидисциплинарный подход в работе с геологической информацией означает,

что студент синтезирует достижения ряда взаимосвязанных дисциплин, изучающих

феномен нашей планеты. Углубление содержания блока изучаемых дисциплин

достигается за счёт использования информационного потенциала геологии и смежных

наук.

Прагматическая направленность обучения предполагает вооружение студентов

знаниями и умениями для решения конкретных задач по опасным ситуациям природного

характера, геологии и смежным отраслям знаний.

Формализация и алгоритмизация представления необходимых материалов по

данному учебному курсу обеспечивает снижение временных и интеллектуальных затрат

при обработке и поиске информации.

Блочно-модульный способ представления информации по опасным ситуациям

природного характера и защите от них заключается во введении в базу данных курса

обязательных блоков со следующей структурой: I. Опасные ситуации в литосфере

I.1. Землетрясения I.2. Извержения вулканов I.3. Сели I.4. Оползни I.5. Обвалы и осыпи I.6. Лавины I.7. Абразия берегов I.8. Эрозионные процессы (эрозия почв, изменение русел рек, пыльные бури,

курумы) I.9. Природные пожары

II. Опасные ситуации в атмосфере II.1. Циклоны и бури II.2. Шквальные бури и смерчи II.3. Экстремальные осадки и снежно-ледниковые явления II.4. Грозы, градобития II.5. Экстремальные температуры воздуха

III. Опасные ситуации в гидросфере III.1. Наводнения III.2. Цунами

208

209

210

В совокупности блоки и работа с ними формируют системное,

целостное представление о динамике нашей планеты, дают студентам

необходимые знания в области поиска, обработки и использования

необходимой информации. Для ориентации студентов в науках о Земле и

основах геодинамики предлагается следующий краткий рубрикатор по

отраслям геологии и смежным наукам:

Вулканология

Геоакустика

Геодезия

Геодинамика

Геокартография

Геокриология

Геомагнетизм

Геометрия недр

Геометрология

Геомеханика

Геоморфология

Геономия

Геопатология

Геостатистика

Геосъёмка

Геотектоника

Геотермика

Геотехнология

Геотомография

Геофизика

Геохимия

Геохронология

Геоэлектрика

Гидрогеология

Гляциология

Гравиметрия

Динамическая геология

Инженерная геология

Историческая геология

Карстоведение

Космическая геология

Кристаллография

Литология

Минералогия

Минерагения

Металлогения

Мерзлотоведение

Морская геология

Неотектоника

Охрана недр

Палеонтология

Палеогеография

Палеоэкология

Петрография

Петрология

Петрофизика

Планетология

Реология

Сейсмология

Спелеология

Стратиграфия

Структурная геология

Теоретическая геология

Экологическая геология

Экономическая геология

211

Краткий обзор факторов эволюции Вселенной с целью

упорядочения тезауруса информационно-поисковых систем

по опасным космическим ситуациям

I. Единый процесс дифференциации космической материи

I.1. Плотностная (гравитационная) дифференциация: Вихри

Декарта. Первым естествоиспытателем, поставившим поиски всеобщего

механизма космических сил на единую твёрдую теоретическую основу, был

великий французский учёный Рене Декарт (1644). Все звёзды и даже вся

Вселенная были, по его представлению, совокупностями различных вихрей.

В общем вихревом движении космоса в роли легчайших частиц выступала

самая тонкая и самая пронизывающая материя огня, в роли более плотных

образований – материя воздуха, которую сам учёный сравнивал не только с

Рис. 35. Схема поиска единства основных природных противоположностей

в трудах естествоиспытателей прошлых веков

(Наиболее опасные космические явления показаны звёздочкой)

212

песчинками и маленькими пушинками, но даже – вот воображение! – с

кончиками тончайших струн. Третьим элементом во Вселенной Декарта

была обладающая малым движением материя Земли.

Все элементы декартовой материи были смешаны в звёздных и

планетных вихрях, но вследствие неодинаковой плотности двигались по-

разному, постоянно взаимодействуя друг с другом в соответствии с

разработанным Декартом «принципом упорства». Учёный представлял себе

тяготение как силу, возникающую от центростремительного движения

материй Земли и воздуха. Однако Декарт не был всюду последователен в

развитии своей концепции. С одной стороны, разрабатывая вихревую модель

образования и эволюции Земли, он дальновидно полагал, что именно

неуклонное стремление к уплотнению материи в недрах планеты вытесняет

из земных толщ огонь и воздух. Но отчего же тогда в другом месте своего

знаменитого трактата, где речь шла о строении Вселенной, звёздные вихри

работали наоборот? И доводом тому, что наиболее плотные элементы

звёздных систем выносились вихрями наружу, Декарту служил пример

центробежного движения тяжёлых лодок на крутых излучинах рек.

Каковы же причины столь странного противоречия в эволюции

планетных и звёздных декартовых вихрей?

С физической точки зрения поведение различных частиц в вихревых

потоках определяется двумя основными факторами: относительной

плотностью частиц и тем, в какой стадии эволюции находится сам вихрь –

формируется он или распадается. Выходит, что у Декарта планетные вихри

тормозились, а звёздные, напротив, ускоряли своё вращение и расширялись?

К сожалению, интересные мысли французского учёного не получили

должного внимания и поддержки в трудах его последователей. Вот разве

только Ньютон в настойчивых поисках механизма тяготения несколько раз

обращался к декартовому «принципу упорства» и разрабатывал концепцию

особой космической материи, «выдавливающей» тела из своих более

плотных слоёв в менее плотные. Ньютон создал эту гипотезу в возрасте 36

лет, отказался от неё и снова вернулся к ней незадолго перед смертью.

Гораздо известнее оригинальная ньютоновская концепция гравитационного

дальнодействия, согласно которой сила тяготения между небесными телами

распространяется на огромные расстояния и даже через пустоту. «Весомая»

материя в абсолютном ньютоновском пространстве была выделена как

главенствующая, а «невесомую», отличающуюся, по Декарту, большой

подвижностью, Ньютон «остановил» и счёл целиком «флегматической».

Такие преобразования представлений о строении материи привели к тому,

что следовавшие этим путём Ньютона физики и астрономы надолго

отказались от совершенствования математических основ явления всемирного

отталкивания.

Кант, Шеллинг, Гегель и другие философы долгое время безуспешно

пытались объяснить естествоиспытателям всю важность не только

философского, но и естественнонаучного совместного анализа притяжения и

213

отталкивания. И Эйнштейн не мог оставлять без внимания все эти

основательные советы потому, что при разработке теории тяготения он

прежде всего стремился достичь логической простоты, стройности и

гармоничности. Разумеется, он отдал должное необыкновенно

привлекательной концепции об одновременном существовании во Вселенной

явлений тяготения и отталкивания. Но мысль Лапласа о подобии звёздных

движений хаотическим движениям молекул газа была принята Эйнштейном

и дожила почти до нашего времени. Наверное, поэтому в ньютоновской

механике и в общей теории относительности осевое вращение большинства

небесных тел во всех основных расчётах просто не принималось во

внимание. Это и неудивительно: учёные трёх последних веков хорошо знали

о вращении Солнца и планет, а вращение звёзд было открыто спустя год

после открытия Эйнштейном принципа эквивалентности, а изучено спустя

ещё двадцать лет. И только сравнительно недавно прояснилась важнейшая

особенность эволюции крупных небесных тел – заметное вековое замедление

осевого вращения из-за приливного трения и отодвигание их от центров

массгравитирующих систем.

Благодаря глубокому изучению процессов звездообразования

современные учёные постепенно приближаются к более совершенной

концепции равновесной Вселенной, в которой притяжение и отталкивание

были бы полностью совмещены и сбалансированы. Новое решение мировых

уравнений, найденное Фридманом, а затем открытие Хабблом

разбегающихся галактик неопровержимо свидетельствовали, что человек

живёт в расширяющейся Метагалактике. Значит, всемирное отталкивание не

только существует в природе вообще и компенсирует тяготение в частности,

но и активно проявляет себя в специфических, вполне самостоятельных

процессах отталкивания? Но разбегание галактик не исключает

одновременного многоступенчатого схождения огромных объёмов

газопылевой космической материи к начальной области Большого Взрыва.

Итак, основным критерием разделения орбит космических тел и

крупных частиц на две категории – сходящиеся к центрам масс и

расходящиеся от них является, по-видимому, их средняя плотность. Если эта

плотность менее средней плотности центрального тела системы, частица

рано или поздно сольётся с этим или другим встретившимся на её пути более

массивным телом. Если же средние плотности вращающихся космических

тел превышают средние плотности доминирующих гравитирующих масс, то

эти тела рано или поздно уйдут на окраины включающих их космических

систем.

I.2. Физико-химическая дифференциация: в мире звёзд, атомов,

молекул. Этот наиболее исследованный вид глубочайшего разделения

космической материи на мельчайшие компоненты и одновременного синтеза

из таких «кирпичиков» длинного ряда новых материальных агломераций

является по существу составной частью плотностной дифференциации, но

обычно изучается отдельно.

214

Ещё в первой четверти ХХ века по ньютоновскому закону всемирного

тяготения было рассчитано притяжение между элементарными частицами

внутри атома. Тогда же исследователи решили: раз получившиеся при

расчётах силы всемирно притяжения в микромире невелики, то при

дальнейших вычислениях динамических характеристик микрочастиц

гравитацию можно не учитывать вообще. И взаимное влияние

внутриатомных частиц было выделено в три класса взаимодействий –

электромагнитных, ядерных и так называемых слабых.

С коперниковских времён наука ведёт изучение скоплений небесных тел

как планетарных систем. И лишь немногим более ста лет исследователи

пытаются проникнуть в тайны атомного ядра, окружённого удивительно

подвижной, переменчивой оболочкой лёгких электронов-«планет». В 1911

году «пудинговую» модель атома Д. Томсона, согласно которой электроны

вкраплены в положительно заряженную равноплотную атомную массу,

сменила дальновидная гипотеза Э. Резерфорда об атоме, подобном

Солнечной системе. С тех самых пор различные естествоиспытатели спорят о

том, насколько планетарная модель атома подобна космическим системам, не

является ли такое подобие чисто внешним свойством атомов.

Основатель квантовой атомной теории Н. Бор предложил и защищал

«принцип соответствия» как своеобразный мост между звёздами и

планетами, с одной стороны, и атомами – с другой. В. Гейзенберг был

сторонником «принципа неопределённости», принципа, почти совершенно

отрицающего связь между классической небесной и атомной механиками.

Как выяснилось в последние годы, атом действительно не похож на целиком

стационарные модели планетных и звёздных систем времён Ньютона.

Неожиданные открытия современными астрономами звёзд

взрывающихся и звёзд, делящихся на отдельные части, позволили более

внимательно анализировать внутриатомные явления. Ведь естественная

радиоактивность атома и в особенности быстротечное, спонтанное деление

атомных ядер более всего напоминает эволюцию звёзд. Интересно, что ещё с

конца прошлого века звёзды и атомы изучаются практически одним и тем же

инструментом – спектрографом. Спектроскопические открытия в макро- и

микромире почти аналогичны. В 1928 году астрономы впервые обнаружили

и измерили вращение спектрально-двойных звёзд. И в том же самом году

российскими физиками А. Терениным и Л. Добрецовым было открыто

вращение ядер атомов.

С точки зрения принципа неопределённости всегда казалось, что

теоретически предсказанное в 1925 году вращение электронов вокруг

собственной оси можно признавать лишь условно, на самом же деле

электроны не вращаются. Однако подошло время новых, гораздо более

чувствительных методов физических исследований. Сначала возникла новая

область науки – радиоастрономия, а вслед за этим событием в 1944 году

Е. Завойский стал основателем атомной радиоспектроскопии. После анализа

так называемой сверхтонкой структуры атомных спектров было изучено

215

осевое вращение ядер и подтверждено давно уже предполагавшееся

вращение электронов. До тех пор, пока ядро и электроны мыслились

маленькими гироскопами лишь сугубо условно, никто не предлагал

использовать энергию вращения атома для каких-нибудь практических

человеческих потребностей. После открытия электронного и ядерного

парамагнитного резонанса, для достижения которого с помощью коротких

электромагнитных волн производится переориентация осей вращения ядер и

электронов, вереница прежних неопределённостей в этой области познания

атома существенно поубавилась.

Были созданы высокоточные эталоны частоты (времени), построены

ядерные гироскопы, найдены способы использования вращения атомных

частиц при поиске полезных ископаемых и в биологических исследованиях.

А сами физики в результате таких открытий получили редкое по своей

эффективности средство изучения внутриатомной структуры и динамики

элементарных частиц. Одна из сравнительно недавних интереснейших

новостей связана с выяснением «точечной» структуры протонов и нейтронов.

Появились также основания говорить об их осевом вращении – ещё одном

важном, пусть пока не до конца понятом сходстве мира звёзд и атомов.

Развернувшиеся исследования внутриатомных процессов позволили

изучать проявления всемирных тяготения и отталкивания не только в мире

звёзд, но и в микромире. После открытия античастиц и обнадёживающих

экспериментов с ними появилась гипотеза о тахионах – высокоскоростных

частицах с мнимой массой. Астрофизики увидели аналогию

отталкивающихся электрических зарядов с антигравитацией. А специалисты

по общей теории относительности предсказали существование

антигравитирующих частиц, отталкивающихся от гравитонов.

Недавние открытия свидетельствуют о том, что электромагнитные

ядерные и так называемые слабые взаимодействия в микромире могут имеет

не какую-то особую, пока ещё неизвестную природу, а целиком

гравитационную. Но в зависимости от вида элементарных частиц действие

казалось бы давно знакомых сил тяготения в микромире в той или иной

степени ослаблено силами отталкивания, причём само это отталкивание не

что иное, как проявление вездесущей гравитации. Оказывается, чем больше

возбуждена элементарная частица, чем меньше её плотность, тем сильнее

проявляется гравитационное отталкивание. Именно поэтому наиболее лёгкие

частицы покидают сверхплотные внутриатомные образования с

субсветовыми скоростями.

Астрономические исследования одинаково свидетельствуют, насколько

едина в своём развитии наша Вселенная. Даже самые далёкие группы звёзд

нашей Галактики «подчиняются» действию её ядра. Наш Млечный Путь

входит в систему галактик, также обращающихся вокруг общего центра

тяжести. Нет сомнения, что и у Метагалактики существует ядро, влияние

которого простирается до самых отдалённых звёздных систем.

216

Такие же зависимости существуют и в очень сложном, пока ещё трудно

поддающемся исследованию атомно-молекулярном мире. Но физико-

химическая дифференциация вещества Вселенной, очевидно, существует. На

основании тщательного изучения состава и физико-химической структуры

Галактики современные астрономы пришли к выводу, что сейчас в Млечном

Пути можно наблюдать звёзды по крайней мере пяти «генераций». Это

означает, что вещество из звёзд первого «поколения» четыре раза

рассеивалось по Галактике в результате космических взрывов и силами

аккреции вновь собиралось в звёзды.

II. Всеобщность свойств ротационных процессов в Космосе

II.1. Гироскопы Вселенной: единство разнообразия. Все

космические тела – пространственные ротаторы. Устойчивые или

неустойчивые, замедляющиеся или ускоряющиеся, прецессирующие,

наклоняющиеся, «ложащиеся на бок» и переворачивающиеся – все они

типичные космические «волчки». Как известно по Солнечной системе,

вековое изменение наклона оси вращающегося космического тела зависит от

темпа торможения вращения его приливными силами или ускорения

вращения в результате спорадического переуплотнения и уменьшения его

поперечника при вековом сжатии.

В последние годы в разных астрономических учреждениях нашей

страны и за рубежом проведены математические расчёты устойчивости

Рис. 36. Прецессия и усугубляющийся наклон свободно вращающегося и тормозящегося

волчка. Репродукция картины Ж.-Б. Шардена «Мальчик и волчок»

217

положения осей вращения небесных тел. Известна аналогия вращающихся

небесных тел со свободными гироскопами. При замедлении их вращения оси

гироскопов неуклонно наклоняются, пока не происходит падения гироскопов

на опорную поверхность. Поскольку у космических тел нет опорной

поверхности, они при замедлении вращения могут оставаться «лёжа на

боку», когда их ось совпадает с плоскостью эклиптики, а при дальнейшем

замедлении вращения могут и продолжить свой поворот относительно

первоначального положения.

Если образовавшийся угол наклона оси вращения превышает 90°, то у

космического тела по отношению к системе возникает так называемое

обратное вращение.

Практика наблюдательной астрономии показывает, что многие

космические тела проявляют свою взрывную активность (хотя и значительно

меньшую по масштабам по отношению ко всей системе), в том числе и «лёжа

на боку». Об этом могут свидетельствовать, в частности, наличие

сферической составляющей в ядрах галактик (и галактического балджа на

рис. 37), обратное вращение некоторых звёзд в звёздных системах, орбиты

малых тел солнечной системы, круто наклонённые к плоскости эклиптики и

т.д.

II.2. Выстраивание иерархии космических спиральных систем: единство

Вселенной за витками космических спиралей. Наиболее крупномасштабные

ветви космических спиралей – это свидетельства цикличности рождения

квазаров из центра Метагалактики, их приливного торможения вращения,

последующего деления и векового перехода всех этих структур по спирали

на более широкие орбиты. Космические спиральные структуры – важнейший

и наиболее богатый класс структур в активных космических средах.

Наиболее изученными во Вселенной являются спиральные галактики: на их

долю приходится около двух третей видимой массы Метагалактики.

Спиральная форма космических образований независимо от их возраста

Рис. 37. Строение Галактики

218

целиком обязана такому универсальному эволюционному фактору

Вселенной как приливное торможение вращения крупнейших и крупных

космических тел, их прогрессирующее вековое переуплотнение, расчленение

на тесные кратные системы и расхождение последних друг от друга по

спиральным траекториям. Образно выражаясь, спираль является

символическим своеобразным универсальным фракталом Космоса.

Сложность анализа рождающихся галактических спиралей заключается в

том, что переуплотнённые вращающиеся активные ядра галактик на

начальном этапе своей эволюции не только наклоняют свои оси вращения, но

«поворачиваются на бок» и даже приобретают «обратное» вращение, что

вызывает образование так называемых баров.

II.3. Резонансные свойства движений космических тел – результат

единого по своей природе процесса настройки вселенских «маятников».

Системы космических тел, обращающихся по орбитам и одновременно

вращающихся вокруг своих осей – это наиболее энергетическая

разновидность колебательных систем Вселенной. Основными параметрами

этих колебательных систем являются частоты, амплитуды, фазы, энергетика.

Космические тела на орбитах неуклонно приобретают всё большую энергию

от центральных тел всей иерархии космических систем при вековом

вселенском центробежном перераспределении момента количества

движения. Любые колебательные процессы, в том числе и космические, в

единых системах обладают свойством синхронизации. На длительном

эволюционном пути развития Вселенной синхронизация космических

«маятников» достигла высокой степени действенности. Многие

наблюдаемые резонансы во Вселенной – это целочисленные соизмеримости

ротационных параметров космических тел и систем. Многочисленные

примеры космических соизмеримостей свидетельствуют об универсальности

процесса синхронизации пространственных ротаторов космоса, но также о

Рис. 38. Образование космических спиралей в Метагалактике

219

том, что Вселенная не вышла ещё из эпохи энергетического развития, что

препятствует окончательной синхронизации её колебательных систем.

Для ориентации студентов в науках о космосе предлагается следующий

краткий рубрикатор по разделам астрономии (А) и смежным отраслям

знаний:

1. Астрометрия (АМ)

- фотографическая АМ

- астрофотография

- фундаментальная АМ

- интерферометрия

2. Сферическая А

3. Наблюдательная А

- всеволновновая А

- радиоастрономия

- радиолокационная А

- микроволновая А

- инфракрасная А

- оптическая А

- ультрафиолетовая А

- рентгеновская А

- гаммаастрономия

- нейтринная А

4. Практическая А

- геодезическая А

- космическая А

- радарная А

5. Небесная механика

- астродинамика

- аэромеханика

6. Околоземная А

7. Внеатмосферная А

8. Звёздная А

9. Звёздная динамика

10. Внегалактическая А

11. Астрофизика (АФ)

- физика (Ф) планет и Луны

- Ф Солнца

- Ф комет и метеоров

- Ф звёзд и туманностей

- Ф галактик и галактических ядер

- физическая оптика

- магнитогидродинамика

- плазменная АФ

- ядерная АФ

220

- АФ высоких энергий

- ядерная космохронология

- палеоастрофизика

- практическая АФ

- теоретическая АФ

12. Космогония

13. Космология

14. Палеоастрономия

15. Теоретическая А

16. Космонавтика

- ракетная А

- спутниковая А

- спутниковая геодезия

- астроориентация

- астронавигация

- космическая навигация

17. Планетология (ПЛ)

- историческая ПЛ

- науки о планете Земля

- селенография

- селенология

18. Гелиосейсмология

19. Астрохимия

20. Астрогеология

21. Астробиология

- экзобиология

- астроботаника

- гелиобиология

22. Астросоциология

- астропсихология

- астрология

- уфология

221

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Первый вариант этой книги при соавторстве с отцом-геологом написал я в 1973

году, когда работал научным сотрудником в секторе тектоники Пермского научно-

исследовательского и проектного нефтяного института и составлял карты тектонического

районирования для нашей области. Одна из таких выполненных мною карт помещена в

данном пособии на стр. 38. Именно тектоника предопределяет динамику земной коры, и

сейчас для всех исследователей Земли это очевидный факт. А три десятка лет тому назад,

когда концепция тектоники плит только зарождалась, это был очень трудный вопрос,

который мне и отцу очень хотелось как-то прояснить. Тогда-то мы и написали с ним

книгу «Науки далёкие и близкие», в которой попытались продекларировать тесные

взаимосвязи между науками геологического, гидрогеологического и гидрологического

циклов. Книгу ту прорецензировали известные учёные нашей страны. Суждения их о

книге, мне думается, интересно опубликовать. Вот так они написаны:

Рецензия на рукопись книги Л. Баньковского и В. Баньковского

под названием: «Науки далёкие и близкие»

Рецензируемая рукопись книги под названием «Науки далёкие и близкие»

свидетельствует о том, что авторы её провели огромную работу и свели воедино

обширный материал, который, несомненно, заинтересует многих читателей. Для

написания такой книги авторам её бесспорно пришлось накопить и осмыслить огромный

фактический материал.

Книга будет служить хорошим материалом для размышлений многих и многих

читателей и творческих работников. В ней содержится много фактического материала.

По характеру книги больше подходит для неё название «Миры далёкие и

близкие». Название «Науки далёкие и близкие» не точно отражает содержание книги.

Кроме того, наук близких и далёких не бывает. Если она наука, то наука и есть.

На стр. 78 есть выражение Д. Нидгема о том, что гораздо правильнее изучать

живое вещество не от элементарного к сложному, а наоборот и т. д… Это расходится с

современными представлениями. Роль микропроцессов в современной науке не только не

отрицается, а наоборот – приподнимается. Только в 1973 году вышла книга академика

Дубинина Н.П. под названием «Вечное движение», в которой роль элементарных частиц и

образований в биологии, например, ставится в центр внимания. И это совершенно

правильно. Однако эти замечания не снижают ценности рецензируемой книги для

широкого читателя. Сделанные советы, вероятно, легко могут быть приняты авторами.

Рукопись данной книги вполне можно рекомендовать для издания.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

заслуженный изобретатель РСФСР,

профессор, доктор технических наук

5 января 1973 года П.К. Ощепков

Рецензия на рукопись книги Л. Баньковского и В. Баньковского

«Науки далёкие и близкие»

Рассматриваемая работа, объёмом несколько более 100 страниц машинописи

посвящена обзору достижений планетологии и наук о Земле. Авторы показывают, как из

этих многообразных, разветвлённых на десятки отраслей наук складывается каркас

современных знаний об общих закономерностях окружающей человека неживой, но тем

не менее очень динамичной природы. В настоящее время бесспорным оказывается

222

подчёркиваемый авторами факт существенного влияния геодинамических процессов на

эволюцию органической жизни нашей планеты, в том числе и на деятельность человека.

Л.В. и В.И. Баньковские проделали большую работу по изучению трудов К.Э.

Циолковского, включив в книгу анализ его дальновидных расчётов и предположений по

планетологии и наук о Земле.

Недостатком рукописи является слишком краткий и неполный обзор сведений о

тектоно-магматических процессах на Луне, Марсе, Меркурии, Венере (см. книгу Ю.А.

Ходак «География и геология планет (планетология)». Курс лекций. Изд-во МГПИ имени

В.И. Ленина, 1972 и др.). В целом же предлагаемая рукопись книги представляет собой

интересное научно-популярное исследование. Её издание будет весьма своевременным и

полезным для широких кругов читателей, интересующихся как космосом, так и Землёй.

Рекомендую рукопись книги «Науки далёкие и близкие» для издания.

Председатель секции космического естествознания

Московского Отделения Всесоюзного

Астрономо-геодезического Общества при АН СССР,

Старший научный сотрудник

19 января 1976 г., Москва ЛОПИМингео СССР Ю.А. Ходак

Рецензия на рукопись учебно-методического пособия (часть 1)

«Опасные ситуации природного характера» Баньковского Л.В., доцента

Соликамского государственного педагогического института, кандидата

географических наук (Соликамск, 2005)

Рецензируемая рукопись объёмом 58 страниц (часть первая учебно-

методического пособия) включает методическую трактовку трёх тем и десяти

практических работ, обеспечивающую проведение лабораторных занятий студентов

стационарного и заочного отделений естественно-математических факультетов

педагогических институтов по курсу «Основные ситуации природного характера».

Практические работы посвящены следующим трём темам: 1) «Нелинейная планетология.

Равновесия, устойчивости, катастрофы и революции в истории развития Земли и

космоса»; 2) «Моделирование Земли, литосферы и основных структур земной коры» и 3)

«Инженерная геология и реология о полях напряжений и формировании разрывов в

земной коре». Рукопись снабжена двумя приложениями о сущности системного подхода и

требований к информационной культуре студентов при изучении указанного курса.

Данное учебно-методическое пособие предлагает новые решения ряда

актуальных вопросов организации обучения студентов по курсу «Опасные ситуации

природного характера» за счёт акцента на единстве механизмов действия основных

геодинамических процессов, углублённой теоретико-практической проработки этих

механизмов. Рецензируемое пособие по существу приглашает студентов к сотрудничеству

с преподавателями в процессе практических работ, обозначает новые ориентиры такого

сотрудничества. Автор использует рациональные приёмы обучения студентов весьма

сложно разветвлённому курсу, подчёркивая значение и приводя в пособии специальные

разработки о существе системного подхода и должной информационной культуре

современных студентов, склонных к самостоятельной исследовательской работе в новой

области знания.

Автор компетентно излагает теоретические основы преподаваемого курса и

правильно формулирует необходимые учебно-методические приёмы, обеспечивающие

целостное представление знаний об опасных динамических процессах нашей планеты за

счёт введения единой методологической базы, построения единой тактики и стратегии

формирования банка данных, а также целенаправленной практической работы с этим

банком данных. В рецензируемом пособии справедливо подчёркнута задача вооружения

223

студентов знаниями и умениями для решения конкретных задач по опасным ситуациям

природного характера, геологии и смежным областям знаний. Целесообразным

представляется предлагаемое пособием знакомство студентов с практическими приёмами

изучения прочности грунтов, выполняемыми при проведении инженерно-геологических

работ.

Завершается рецензируемый труд послесловием, в котором автор сообщает о ходе

многолетней работы над учебно-методическим пособием и приводит отзывы

специалистов о первоначальном варианте рукописи.

Предлагается включить в рукопись дополнительный раздел о методе

моделирования в современных научных исследованиях, что будет способствовать более

полному освоению требуемых для курса мировоззренческих знаний. В последующем

автору рекомендуется рассмотреть вопросы технико-экономического характера для

определения эффективности мер по предотвращению опасных ситуаций природного

характера.

Рукопись рекомендуется к изданию.

Зам. директора по учебно-методической работе филиала Уральского

государственного экономического университета в г. Березники,

кандидат экономических наук Кутырева О.А.

Зам. директора по научной работе по учебно-методической работе филиала

Уральского государственного экономического университета в г. Березники, кандидат

технических наук Минин В.В.

Завершаю это учебное пособие публикацией рецензии учёных Березниковского

филиала Уральского государственного экономического университета. Пожелание моих

коллег по поводу введения в рукопись нового раздела об основах моделирования

культуры безопасности жизни человека и общества я постарался выполнить, правда, пока

на уровне соответствующего краткого приложения. В дальнейшем эта тема будет меня

интересовать наравне с другими. Благодарю всех коллег за интерес к этой работе и

своевременную разностороннюю профессиональную помощь, оказанную мне при

подготовке рукописи к печати.

224