Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Принцип дополнительности Бора

Принцип дополнительности — один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.

Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики и анализа процесса измерения характеристик микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности

.

Физические  аспекты эволюции биосферы

Возрастание энергетического  потока, проходящего через биосферу,

понимается в модели как физическая эволюция биосферы.

Древнейшая прокариотическая биосфера архея (2 миллиарда лет

назад и ранее) использовала, видимо, для своего существования

химические, в том  числе минеральные источники  энергии,

запасенной ранее  в геосферах планеты, в частности, атмосфере,

гидросфере и коре. Солнце способствовало существованию  жизни

на планете косвенно: главным образом, поддерживало химический

круговорот и общий  температурно-климатический баланс Земли.

После возникновения  и начала широкого распространения  около 2-х

миллиардов лет  назад фотосинтезирующих организмов (в первую

очередь, − цианобактерий), биосферная биота из-за появления

атмосферного кислорода  принципиальным образом изменилась,

поскольку кислород является сильнейшим ядом для большинства

анаэробных организмов, типичных для архея. Жизнь биосферы и,

соответственно, ее физическая эволюция оказались связанными с

солнечной активностью  в диапазоне электромагнитных волн

видимой части солнечного спектра.

На ранних стадиях  эволюции фотосинтезирующей биосферы, в

протерозое, физическая эволюция может быть соотнесена с

улучшением химических механизмов фотосинтеза, повышением

эффективности хлорофиллов. На этом этапе были выработаны

наиболее эффективные  хлорофиллы (Мейен, 1987): практически все

основные производители  органического вещества биосферы,

включая такие главнейшие для современности продуценты, как

высшие, сосудистые растения, в той или иной степени  начиная с

протерозоя используют наборы хлорофиллов а и б (Старобогатов,

1984б, 1985). К фанерозою (последние 550 ÷ 570 миллионов лет),

эволюция химических сторон фотосинтеза, судя по всему,

закончилась, а появившаяся  в протерозое эукариотическая жизнь

начала выходить на сушу (Видаль, 1984). Этому способствовало то,

что именно эукариоты  оказались способны создавать сложные

многоклеточные организмы, имеющие для выполнения различных

функций специфические  ткани и органы, что дало огромное число

новых возможностей и способов существования этих организмов в

среде и, в частности, на суше. Например, извлечение воды из под

верхнего слоя почвы  с помощью корней и вынос

фотосинтезирующих органов над ее поверхностью, где  условия

освещенности лучше, − один из таких способов, недоступный

одноклеточным организмам. Рост фотосинтезирующей способности

наземных растительных сообществ и сопряженная с этим процессом

физическая эволюция биосферы происходили на этом этапе  уже

вследствие возникновения  и развития специальных приспособлений,

что вело к увеличению площади фотосинтезирующих поверхностей

− листьев и других, предназначенных для этого образований

(например, сочных  стеблей, выполняющих многие функции  листьев,

у кактусовых). Таким  образом, фанерозойский этап эволюции

биосферы в значительной степени был сопряжен именно с

морфологическими  и морфофизиологическими изменениями

(Серебряков, 1962) наземных  растений. 

Что означают понятия  «парниковый эффект», «озоновая дыра», «ядерная зима» и их последствия на природу

1. Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт М. де Соссюра с зачернённым изнутри  сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял  разность температур внутри и снаружи  такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение  температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием  конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.

Именно  последний фактор и получил в  позднейшей литературе название парникового  эффекта — поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления теплового равновесия.

Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем  прозрачность в диапазоне оптическом, однако количественные данные по поглощению атмосферы в инфракрасном диапазоне  долгое время являлись предметом  дискуссий.

В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (т.е. при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчетным спектром ее теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов.

2. К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее в виду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.

Последствия: Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на Землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.

3. Я́дерная зима́ — гипотетическое глобальное состояние климата Земли в результате широкомасштабной ядерной войны. Предполагается, что в результате выноса в стратосферу большого количества дыма и сажи, вызванного обширными пожарами при взрыве 30—40 % накопленных в мире ядерных боезарядов, температура на планете повсеместно снизится до арктической в результате существенного повышения количества отражённых солнечных лучей.