Тема 1 Естествознание в системе наук

Естествознание – наука о явлениях и законах природы. В структуру современного естествознания входят: физика, химия, биология, а также многочисленные смежные отрасли, такие как физическая химия, биофизика, биохимия, нейробиология и многие другие.

Американская ассоциация за прогресс науки (АААS) дает определение грамотного человека – это «тот, кто знает, что естественные науки, математика и техника представляют собой занятия независимого человека, прилагающего все свое упорство, но имеющего ограниченные возможности; кто понимает главные концепции и принципы науки; кто знаком с миром природы и может судить о его разнообразии и единстве; кто принимает научные знания и научные способы мышления для решения социальных задач и проблем отдельных индивидуумов».

В идеале естествознание, это синтез мудрости древних цивилизаций, естественных и гуманитарных наук, направленных на понимание природы, человека и общества. Это фундаментальность и широта в объяснении сути вещей. Естествознание в целом, нацелено на построение парадигмы современной естесвеннонаучной картины мира.

Цель естествознания – описать, систематизировать и объяснить совокупность природных явлений, объектов и процессов. Задача естествоиспытателя - обобщить факты об окружающем мире и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы.

Многие достижения современного естествознания, составляющие базу для наукоемких технологий, связаны с всесторонним изучением объектов и явлений природы.

Как и другим сферам человеческой деятельности, естествознанию присущи специфические черты: нацеленность на создание универсального и общезначимого знания; проекция каждой естественнонаучной дисциплины на отдельный фрагмент реальности, с целью ее более глубокого и фундаментального изучения; систематичность, наличие определенной структуры; достоверность и объективность в выводах, стремление исключить индивидуальные особенности ученого, крайний субъективизм; отсутствие догматизма и незавершенность и безграничность научного знания; преемственность новых знаний с предшествующими теориями; наличие критичности и отсутствие безоговорочной веры в авторитеты; нейтральность научных истины в морально-этическом плане и, вместе с тем, наличие моральных критериев по отношению к деятельности ученого и результатам ее применения; наличие умозрительных выводов, рациональных процедур и

законов логики, нацеленных на формулирование теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня; наличие общих эмпирических и теоретических, а также частных методов исследования и пр.

Современное естествознание представляет собой единую систему знаний, компоненты которой (естественные науки) являются настолько тесно взаимосвязанными, что вытекают друг из друга, тем самым образуя подлинное единство.

Естествознания исследует природные явления сразу с позиций нескольких наук, "выискивая" наиболее общие закономерности и тенденции. Естествознание, признавая специфику входящих в него наук (физики, химии, биологии, географии и др.) в то же время имеет своей целью исследование Природы как единого целого.

Изучение предметов по отдельности - физики, химии и биологии, - является лишь первой ступенью к познанию Природы во всей ее целостности, т.е. познанию ее законов с общей естественнонаучной позиции.

Несмотря на наличие противоречий между естественными и гуманитарными науками, обусловленными способами и методами познания действительности, спецификой объяснения фундаментальных основ бытия и пр., философия через свои специфические функции способна выполнять роль проводника: дать общий, целостный взгляд на мир, выявить общие идеи и представления о мироздании, стимулировать познание природы и сущности мира, обосновывать важность гуманитаризации технических и естественных наук, а также натурализации гуманизма.

Философия «поможет наведению мостов между самостоятельными дисциплинами, ибо от нее не скрыто ни место каждой науки в общей системе знания, ни историческая роль их современных форм в развитии мышления. Философия, указав границы наукам, сможет по-новому поставить некоторые вопросы так, чтобы мы могли получить требуемый ответ» [В. Хесле].

Задания:

1. Руководствуясь теоретическим материалом и графическими схемами, определить цель, предмет и задачи естествознания.

2. Перечислить основные естественные науки и области знания, которые они изучают

3. Дать общую систематизацию естественных наук.

4. Проанализировать основные тенденции развития естествознания.

5. Указать, чем фундаментальные науки отличаются от прикладных.

Общая характеристика естествознания

Наука о природе - естествознание

Основные естественные науки

Тема 2

Роль живого вещества в биосфере. Перспективы развития биосферы.

1. На основе анализа таблиц оцените роль живого вещества в биосфере.

Определите, какую часть в общей массе биосферы занимает живое вещество (табл.1) по отношению к другим геосферам Земли. Полученные данные запишите в таблицу.

Во сколько раз масса живого вещества планеты отличается (больше или меньше?) от массы самой легкой оболочки планеты?

Таблица 1. Масса и доля живого вещества и основных геосфер Земли

	Масса, в т	Доля, в %
Живое вещество	2.4 . 1012
Атмосфера	5.15 . 1015
Гидросфера	1.5 . 1018
Земная кора	2.8 . 1019

По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других неорганических природных образований, входящих в состав биосферы. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Понятно, что для осуществления подобной работы организмы должны обладать и значительной массой. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2.4х10¹² т.

Определите долю живого вещества в общей массе суши и Мирового океана, используя данные табл.2. «Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле». Полученные данные запишите в таблицу. Проанализируйте результаты вычислений, сделайте вывод о соотношении биомассы растений и животных на суше и в океане.

Таблица 2. Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле

		Масса, в 1012т	Масса в %	Масса в целом, %
Суша	Растения	2.4
	Животные и микроорганизмы	0.02
Океан	Растения	0.0002
	Животные и микроорганизмы	0.003
		2.4232		100

2. Энергетическая и концентрационная функции живого вещества в биосфере: грозит ли человечеству энергетический голод и способна ли хозяйственная деятельность людей повлиять на изменение климата планеты? Дайте ответ на основании анализа представленного материала.

В нижеследующих таблицах показана годовая величина потребления энергии человечеством (таблица 3) и учтенные запасы углеводородного сырья, которые будут извлечены из недр в обозримый период времени (таблица 4)

Таблица 3. Общие энергетические запасы по данным различных источников

Вид энергетического сырья	Оценка мировых запасов углеводородного топлива (млрд.т относительно нефтяного эквивалента) экономически целесообразных к извлечению из недр и сжиганию на уровне современных технологий	Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента
Нефть	137	6,165 × 1021Дж
Уголь	1079	4,8555 × 1022Дж
Газ	109 4905	4,905 × 1021Дж
ИТОГО углеводородов	1325	5,9625 × 1022Дж

Таблица 4. Количество энергии, потребляемой человечеством в год без учета

альтернативных источников энергии

Вид потребляемого энергетического сырья	Количество углеводородного топлива (млн.т относительно нефтяного эквивалента), потребляемого мировой экономикой в год	Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента
Нефть	3101	1,39545 × 1020Дж
Уголь	2192	0,9864 × 1020Дж
Природный газ	1738	0,7821 × 1020Дж
Всего углеводородов	7031	3,16395 × 1020Дж
Гидроэлектроэнергия	541	0,24345 × 1020Дж
Атомная энергия	461	0,20745 × 1020Дж
ВСЕГО потребляемой энергии	8033	3,61485 × 1020Дж

Примечание: Теплота сгорания нефти варьирует от 43,7 до 46,2 МДж/кг (10400 – 11000 ккал/кг). 1 Вт × час^-1 = 3600 Дж × час^-1 или 1 Дж = 1 Вт × с^-1, 1Вт = 1 × 10⁷ эрг × с^-1, 1 Дж = 1 × 10⁷ эрг = 0,2388 кал.

Всего в год человечество производит энергии – 3,61485 × 10²⁰Дж. Но это не вся энергия, которая рассеивается в пространство. Часть энергии идет на производство продукции, срок разложения которой разный. По балансовым оценкам рассеяние энергии в пространстве в год, кроме аккумулированной энергии в произведенной продукции, составляет около 10%, то есть 3,61485 × 10¹⁹Дж.

С учетом того, что мировые запасы углеводородного топлива в нефтяном эквиваленте составляют 5,9625 × 10²²Дж, то (по современным экономическим требованиям к технологиям извлечения, сжигания топлива) его количества хватит на 188 лет. В том числе нефти – на 44 года (то есть, до 2050 г); газа – на 62 года (то есть, до 2067 года); угля – на 492 года. Весьма пессимистическая картина, обрекающая в будущем на энергетический голод человечество. На самом деле это не так.

Потенциал гидроэлектроэнергетики – возобновляемый. Относительно сжигаемой нефти ежегодный прирост энергии при современных технологиях ее отъема от кинетической энергии падающей воды составляет 16,2%. На самом деле при разумном развитии гидроэнергетики к 2050 году (к моменту расходования ныне оцененных запасов нефти) ее доля может достигнуть 20% общего количества потребляемой энергии от сжигания нефти. Другими словами, энергетический прирост к 2050 году за счет модернизации и строительства новых ГЭС составит всего 3,8% от сжигаемой нефти. Это ненадолго продлит энергетический голод за счет расходования нефтяных запасов по приведенным выше оценкам.

Потенциал атомной энергетики в современных масштабах потребления составляет 13,5% в год от энергии, полученной при сжигании нефти. В недалеком будущем, за счет ввода новых АЭС, в мире доля атомной энергетики от сжигания нефти может быть достигнута 20%. Таким образом, к 2050 г доля энергии за счет ГЭС и АЭС достигнет 40% ныне оцененных энергетических запасов нефти. Следовательно, по пессимистическому сценарию расчета энергетического потенциала дефицит энергии человечество ощутит в объеме 60% уже к 2050 году.

Есть ли резервы энергии?

Средняя масса живого вещества оценивается величиной 2,4 × 10¹² т. Если учесть, что первые живые организмы установлены только на рубеже 3,9 млрд. лет, то количество живого вещества в земной коре аккумулированное за это время составит 2,4 × 10¹² x 3,9 × 10⁹ = 9,36 × 10²¹ т (с учетом, что вся биомасса возобновляется ежегодно). При его сжигании выделилось бы энергии 4,212 × 10³² Дж.

Поскольку в земных слоях сохраняется не более 0,1% отмерших организмов, а остальные утрачиваются в процессе преобразования осадков, то остаток органического вещества, из которого могут быть сформированы углеводороды, составит 9,36 × 10¹⁸ т.

Современные подсчитанные запасы углеводородов в пересчете на нефтяной эквивалент составляют всего 1,318 × 10¹² т. То есть, не учтенное количество углеводородов, образованных за счет отмирания живых организмов (9,36 × 1018 : 1,325 × 10¹²) более, чем в 7 миллионов раз больше, чем сегодня учитывается в запасах углеводородного сырья биосферы! Даже если учесть, что человечество добудет органического вещества в 100 раз меньше за счет его потери в недрах и то тогда человечеству органического топлива хватит как минимум на 70000 лет. Вывод напрашивается сам: человечеству даже в обозримом будущем не грозит энергетический голод от дефицита углеводородов. Только они могут быть рассеяны в толщах осадочных пород, например, в форме битумных сланцев, тощих углей, сконцентрированных в маломощных пластах и т.д. Но в условиях новых технологий их добычи и сжигания могут они могут дать человечеству огромные запасы топлива.

Если также принять во внимание ведущее значение жизни при формировании основных запасов углей, горючих сланцев, нефти и газа, которые могли быть сформированы в интервале последних 400 млн.лет, а энергию падающего на Землю излучения принять постоянной в 185,5 Вт × м^–2 с, то энергия ископаемых углеводородов (при условии, что вся энергия пойдет на образование углеводородов при участии фотосинтеза и их полного сохранения в условиях земной коры), должна содержать в себе протосолнечные энергетические запасы 185,5 Вт × м^–2 × 400 × 106 = 2,34 × 10¹⁸ Вт. А на всю поверхность материков 2,34 × 10¹⁸ x 148,9 × 10¹² м^-2 = 3,48 × 10³² Вт.

Поскольку материал углеводородов сохраняется в земной коре не более чем 0,1% от всего видового разнообразия на Земле, то на самом деле количество аккумулированной энергии за счет растений составит всего 3,48 × 10²⁹ Вт. А если учесть, что из всей солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, поглощается растениями в 10 раз меньше, то количество аккумулированной энергии в ископаемом виде составит не более 3,48 × 10²⁸ Вт.

Эти запасы углеводородного топлива человек не сможет добыть и сжечь полностью. Из всего накопленного углеводородного сырья в концентрированной форме (месторождений) не может быть топлива более чем 1%. 99% его находится в рассеянной форме и недоступно извлечению по экономическим и технологическим причинам. Таким образом, с учетом потери топлива в недрах, человек способен добыть и сжечь топлива не более чем 3 × 10²⁶ Вт. Это (1,812 × 10³⁵ : 3 × 10²⁶) в 0,604 × 10⁹ раз меньше энергетического потенциала биосферы, который был сформирован энергопотоком солнечного излучения за всю историю Земли.

То есть энергетический вклад человека и в будущем представляет собой каплю в энергетическом океане биосферы, даже если ему и удастся сжечь все добытое им топливо в форме углеводородов. Но даже если ему удастся сжечь все углеводороды и освобожденную энергию рассеять в биосфере, то за счет естественного круговорота воды (испарение, конденсация в атмосфере) она будет изъята из биосферы. Ведь только за счет сублимации льда современных ледников Земли под влиянием солнечной энергии поглощение энергии составит величину 1,3 × 10²⁶ Вт.

Так грозит ли человечеству энергетический голод и может ли хозяйственная деятельность повлиять на состояние климата планеты? Ответ обосновать.

3. Перспективы развития биосферы.

И увидел Господь [Бог], что велико развращение человеков на земле, и что все мысли и помышления сердца их были зло во всякое время; и раскаялся Господь, что создал человека на земле, и восскорбел в сердце Своем. И сказал Господь: истреблю с лица земли человеков, которых Я сотворил, от человека до скотов, и гадов и птиц небесных истреблю, ибо Я раскаялся, что создал их.

Библия, Ветхий Завет, кн. Бытие, гл. 6,7.

3.1. Изучите фрагмент статьи Кулясова И.П. «Теория экологической модернизации» и заполните таблицу 5 «Основные концепции развития современного общества»:

Таблица 5.