1.3. Науки, изучающие катастрофы

На поверхности и в глубинах Земли идет развитие множества сложнейших физических, физико-химических и биохимических процессов, сопровождающихся обменом и взаимной трансформацией различных видов энергии. Источниками энергии являются процессы реорганизации вещества, происходящие внутри Земли, физические и химические взаимодействия ее внешних оболочек и физических полей, а также гелиофизические воздействия. Эти процессы лежат в основе эволюции Земли и природной обстановки на ней.

Много веков ученые пытаются уловить закономерности возникновения таких катаклизмов, их цикличность, найти способы предсказания, предупреждения катастрофических явлений природы. Успехи науки неодинаковы для катастроф, вызываемых различными природными явлениями. Под природной катастрофой обычно понимается какое-то неожиданное, страшное по своим последствиям для человека нарушение нормального хода природных процессов. Но внимательное изучение различных природных явлений показало, что нормальный геофизический процесс как раз и включает в себя различного рода быстрые вариации, отклонения, срывы, неожиданность которых – результат плохой изученности данного природного явления.

Для того чтобы возникла природная катастрофа, необходимы три основные условия:

– экстремальная геофизическая ситуация,

– генерируемые ею поражающие факторы,

– неблагоприятная социально-экономическая обстановка, выраженная людскими потерями и материальным ущербом.

Экстремальные геофизические ситуации представляют собой закономерные геофизические процессы, в ходе которых время от времени при существенном участии ряда случайных факторов создаются заметные отклонения от среднего состояния – быстрое таяние льда и снега, обильное выпадение осадков и т.д.

Эти процессы, в силу своей природы, способны создавать поражающие факторы, как правило, выраженные быстрым движением частиц среды - воздуха, воды, грунта и т.д. В тот момент, когда в результате неблагоприятных природных обстоятельств поражающие факторы начинают действовать на человека, природные и материальные ценности, развивается социально-экономическое «стихийное» бедствие.

Таким образом, природная катастрофа – это результат экстремальной геофизической ситуации, при которой из-за неблагоприятной природной обстановки возникают поражающие факторы, способные в случае неблагоприятной социально-экономической ситуации породить стихийное бедствие.

Отсюда делаем вывод, что природные катастрофы связаны с понятием стихийное бедствие, чрезвычайная ситуация (природного характера). Так же, терминологии МЧС используется термин опасные природные процессы (ОПП). Опасные природные процессы – это нелинейные, а порою и экстремальные явления взаимодействия природных систем или процессов с социальными и экологическими системами, в результате которых возникают поражающие факторы, наносящие ущерб и потери Обществу и Природе.

Спектр опасных природных процессов весьма широк, что предопределяет многообразие генезиса; механизмов развития; масштабов, скоростей и энергий проявления; длительности воздействия и различия поражающих факторов. Поэтому здесь нельзя как в обычных традиционных дисциплинах по математике, физике, химии и т.д. выделить конкретный предмет исследований.

Многообразие исследуемых объектов предполагает междисциплинарный подход.

Исследованием природных катастроф и вопросами защиты от них занимается целый ряд научных дисциплин:

– причины возникновения и сущность природных катастроф изучают естественные науки (геофизика, геология, метеорология, гидрология);

– разработкой конструкций, устойчивых в отношении землетрясений и циклонов, занимаются технические науки;

– проявление и размеры происходящих катастроф оценивает статистика;

– чувствительные приборы, регистрирующие предшествующие и сопровождающие катастрофы явления, обязаны своим изобретением физике, механике и электронике;

– следует сказать и об общественных и политических науках. Их задачей является организация защиты от катастроф и ликвидация последствий.

В.И. Вернадский в науках о Земле выделял законы двух типов:

– законы, представляющие собой модификацию законов физики, химии и др. точных наук.

– законы-тенденции связаны с историей развития Земли. Все законы-тенденции носят вероятностный, статистический характер, выявляются лишь при статистической обработке большого фактического материала, и неизбежно содержат большое число отклонений и даже исключений. Хаин выделяет следующие тенденции в развитии нашей планеты: направленность (необратимость), цикличность, непрерывность, прерывистость, синхронность, асинхронность, неравномерность, преемственность и обновление. Например, закон необратимого эволюционного развития организмов был сформулирован бельгийским палеонтологом Долло в конце 19 в. Они играют конструктивную роль в науке, т.к. определяют процессы самоорганизации в открытых системах.

Направленностъ развития Земли прослеживается в процессах первичной дифференциации вещества, возникновении ядра и различных оболочек Земли, в ходе реализации эндогенных и экзогенных процессов.

Также наблюдается тенденция цикличного развития. Выделяются циклы продолжительностью в сотни млн. лет и более высокочастотные, определяющие формирование лика Земли, ее внутренней струк­туры и строение ее верхних оболочек.

Неравномерность развития геологических процессов подтверждается широким диапазоном типов тектонических структур современной Земли, отвечающих разным геодинамическим обстановкам и этапам их формирования.

Современная геология во многом опирается на изучение естественных физических полей Земли. Геофизика как наука имеет свою историю, корни которой уходят в историю самой физики. 

Что обусловливает особенности развития геологических процессов на нашей планете?

1. Прежде всего, специфика объекта, который может рассматриваться как ступень в развитии материального мира. Современные знания о нашей планете позволяют говорить об уникальности этого объекта в Солнечной системе. Это наиболее развитая планета, которая к тому же имеет биосферу.

2. Внутренние противоречия:

– взаимодействие сил гравитации и тепловой энергии, источники которой – аккреция, глубинная дифференциация вещества, приливные движения, радиоактивность при достаточно длительном взаимодействии этих сил их траектория в фазовом пространстве не сходится к точке (гравитация) и не уходит в бесконечность (тепловая энергия), а группируется в иерархию разномасштабных, сложно и непредсказуемо изгибающихся и разветвляющихся пучков, располагаясь в этом объеме как бы решетчато, фрактально;

– взаимодействие эндогенных и экзогенных процессов.

3. Космический фактор. Земля представляет собой открытую систему, которая взаимодействует с окружающими ее космическими телами. Это взаимодействие может быть прямым (астроблемы) и опосредованным (приливные воздействия, солнечная энергия, изменения орбиты Земли, расположение Земли в пределах Галактики и др.).

Наиболее очевидно оно в отношении Луны. Земля и Луна фактически представляют собой двойную планету. Луна всего на несколько десятков миллионов лет моложе Земли; об их тесном родстве говорит сходство химического и петрографического состава; первоначально Луна находилась на весьма близком расстоянии от Земли. Наиболее наглядным следствием близкого соседства этих небесных тел являются твердые приливы, испытываемые Землей под влиянием лунного притяжения.

Авсюк доказывает, что вопреки общепринятому представлению о монотонном удалении Луны от Земли расстояние между ними периодически то возрастает, то убывает, что, естественно, сказывается на интенсивности приливного воздействия. Это изменение носит периодический характер, и циклы коррелируются с тектоническими циклами Бертрана. Результатом процесса взаимодействия системы Земля – Луна Авсюк считает цикличность проявления и других геологических процессов — трансгрессий и регрессий, горообразования, инверсий магнитного поля. Он полагает, что приливная эволюция системы Земля-Луна-Солнце дает вообще достаточное объяснение всей жизни Земли.

Теория катастроф. С позиций современного подхода, катастрофы – явления бифуркационной природы, присущие хаотической эволюции нелинейных, сильно неравновесных систем. Это частые, разномасштабные скачки состояний, принципиально непредсказуемые из начальных условий, задаваемых со сколь угодно высокой, но конечной точностью, при плавном изменении даже всего двух-трех зависящих от внешних условий и несводимых к средним значениям управляющих параметров.

Сейсмология – наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр.

Основная задача сейсмологии состоит в изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях, о которых мы расскажем в следующем параграфе.

Новые понятия и термины

Природная чрезвычайная ситуация, опасные природные процессы, катастрофа, сейсмология.

Новые идеи

– природные катастрофы относится только к экстремальным природным явлениям и процессам, в результате которых происходит гибель людей. В этом понимании природные катастрофы противопоставляются техногенным катастрофам, т.е. тем, которые вызваны непосредственно с деятельностью человека;

– катастрофы – явления бифуркационной природы, присущие хаотической эволюции нелинейных, сильно неравновесных систем;

– все прямые данные о внутреннем строении Земли получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях.

Новые имена

В ерна́дский Владимир Иванович (1863 – – 1945), естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Основоположник комплекса современных наук о Земле – геохимии, биогеохимии, радиологии, гидрогеологии и др.