地球上的負(fù)熵

地球上的負(fù)熵

1信息熵-lnpi和負(fù)熵-水的存地球生命從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐漸發(fā)展。生物多樣性的本質(zhì)是由基因保存和運(yùn)輸?shù)?。?duì)基因信息的研究表明，病毒基因的信息量為104105bits，細(xì)菌基因的信息量為107bits，哺乳動(dòng)物和人類的基因的信息量超過(guò)10910010001s。個(gè)體發(fā)育時(shí),在基因里密碼的指令將氨基酸聯(lián)結(jié)起來(lái),合成蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)里包含了更多的信息.在胚胎發(fā)育過(guò)程中分化出不同器官,它們各司各自的功能,這是原來(lái)沒(méi)有的信息,即一個(gè)成長(zhǎng)起來(lái)的生物的體內(nèi)含有的信息在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)DNA給它帶來(lái)的信息.1984年,申農(nóng)(C.E.Shannon)定義了信息熵為S=?λ∑i=1NPilnPiS=-λ∑i=1ΝΡilnΡi(1)由式可見(jiàn),若有i=1,2,…,N等N種可能性,各種可能性的概率分別是Pi,則信息熵等于各種情況的信息熵-λlnPi按概率Pi加權(quán)平均.從這個(gè)觀點(diǎn)看生命體信息就是“負(fù)熵”,無(wú)論從物種進(jìn)化還是從個(gè)體發(fā)育的角度看,與生命現(xiàn)象伴隨的是“負(fù)熵”的不斷增加.熱力學(xué)第二定律告訴我們,一個(gè)封閉系統(tǒng)的熵只增加不減少.生命系統(tǒng)必須是開(kāi)放系統(tǒng),它一面不斷向體外排熵,一面從外界汲取低熵的物質(zhì),以形成負(fù)熵流.生命之所以能存在,就在于從環(huán)境中不斷得到“負(fù)熵”.有機(jī)體是依賴負(fù)熵為生的,此即生命的熱力學(xué)基礎(chǔ).我們把有機(jī)體的生命過(guò)程歸結(jié)為如下圖解.如圖1,有機(jī)體與周圍環(huán)境之間不斷地有物質(zhì)和能量的交流,并維持著低熵的狀態(tài),這要求攝入的是低熵物質(zhì),如碳水化合物、凈液態(tài)水,排出的是高熵物質(zhì),如CO2、尿、汗和其它排泄物.2營(yíng)養(yǎng)級(jí)的負(fù)熵流熵的排除是分層次的.有機(jī)體把體內(nèi)的熵排給體外的小環(huán)境,小環(huán)境把熵排給大環(huán)境,大環(huán)境把熵排給更大的環(huán)境.地球上生態(tài)系統(tǒng)最大的環(huán)境是遍及地球表面附近的生物圈.最后,地表的生物圈把熵排給高層大氣,高層大氣再把熵排給太空.地球主要以熱輻射向太空排熵,為保持整個(gè)地球的熱收支大體平衡,地球還需從外界汲取負(fù)熵.地球生態(tài)環(huán)境負(fù)熵的主要供應(yīng)者是太陽(yáng).1)如果地球的能量收支大體平衡,在負(fù)熵的獲得方面就大不一樣了.太陽(yáng)輻射的平衡溫度是T0=6000K,地球接受陽(yáng)光的總輻射功率為P,地球單位時(shí)間內(nèi)的總輻射率為P′,太陽(yáng)帶給地球的熵流為d入Sdt=P′T0(2)d入Sdt=Ρ′Τ0(2)設(shè)T?為地球高層大氣的溫度,則地球向太空輻射帶走的熵流為d出Sdt=?P′T⊕d出Sdt=-Ρ′Τ⊕(3)一進(jìn)一出,地球獲得的凈熵流為Σ=d入Sdt+d出Sdt=P′(1T0?1T⊕)Σ=d入Sdt+d出Sdt=Ρ′(1Τ0-1Τ⊕)(4)其中P′=1.18×1017W,取T0=6000K,T?=253K,得Σ=1.18×1017W×(16000K?1253K)=?4.47×1014W/K(5)得Σ=1.18×1017W×(16000Κ-1253Κ)=-4.47×1014W/Κ(5)這便是地球收入的總負(fù)熵流.2)為了對(duì)Σ的大小有個(gè)概念,我們來(lái)估算全人類食品里包含的負(fù)熵.我們把人的食物需求量折合成葡萄糖來(lái)計(jì)算,設(shè)每個(gè)成人每日需要1kg,即需負(fù)熵-3.254×103J/(mol·K),這是每人每日的需要,折合成每人每秒的需要,得-3.77×10-2W/K.當(dāng)今世界人口約60億,人類食物需求的負(fù)熵流為Σ食物=-1.356×108W/K,它比Σ小了6個(gè)數(shù)量級(jí).但是,由于云層反射、大氣吸收、海水蒸發(fā)等的消耗,真正被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的太陽(yáng)能僅有0.02%左右.因而光合作用提供的負(fù)熵流為Σ光合=0.02%Σ=-8.94×1010W/K,它只比Σ食物大幾百倍,即不到3個(gè)數(shù)量級(jí).這就顯得不那么寬裕了.要知道,自然界生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈?zhǔn)怯性S多“營(yíng)養(yǎng)級(jí)”的,例如:綠色植物→草食動(dòng)物→初級(jí)肉食動(dòng)物→頂級(jí)肉食動(dòng)物在以上4級(jí)食物鏈中,每級(jí)以前一級(jí)作為自己的食物.各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物之間的生態(tài)效率(凈生產(chǎn)的能量與它同化的能量之比)一般在4%～25%之間,平均為10%～15%.再者,在廣闊森林中進(jìn)行的光合作用的大部份并不為人類直接或間接生產(chǎn)食品.玻爾茲曼說(shuō)得對(duì):生物的生存斗爭(zhēng),不是為了物質(zhì)和能量,歸根到底是為了熵.3關(guān)于大氣溫室效應(yīng)大氣上層的溫度為-20℃,但地表的平均溫度為15℃,兩者之間差35℃,這是什么原因?圖2為15℃的黑體輻射分布,其極大值在波長(zhǎng)λ～10μm數(shù)量級(jí)的紅外波段內(nèi),大氣中的CO2和水汽恰好是這波段輻射的強(qiáng)吸收體.只需一層2m厚的含0.03%CO2的大氣,就可將λ=15μm的紅外輻射全部吸收掉,對(duì)于18μm以上和8.5μm以下的輻射,水汽是最主要的吸收體.在λ=8.5～12μm之間,有一個(gè)可讓大部份地球輻射通過(guò)的“窗口”.水汽和CO2吸收紅外輻射,也重新發(fā)射紅外輻射,但這是向四面八方的輻射,故其中有一半回到地表.水汽和CO2的這種保護(hù)地表熱量散失的功能,叫做溫室效應(yīng).CO2濃度的增高是否會(huì)使全球氣候變暖?計(jì)算機(jī)模擬表明,過(guò)去一個(gè)世紀(jì)全球地面溫度大約升高了1℃,并預(yù)言,如果CO2濃度比工業(yè)化前增加一倍,即達(dá)到560mL/m3,全球地面溫度將提高1～5℃.全球氣候變暖的后果難以完全預(yù)料,恐怕最嚴(yán)重的問(wèn)題是海平面上升,造成沿海和低海拔的陸地大面積淹沒(méi),此外對(duì)于農(nóng)作物的影響也很大.在此,我們建立一個(gè)模型:在兩極種植海藻來(lái)調(diào)節(jié)溫室效應(yīng).1浮游植物對(duì)氣候的影響圖3為植物生長(zhǎng)率(圖a)和植被覆蓋面積(圖b)隨溫度變化的曲線,其中曲線I對(duì)應(yīng)于水肥充分的理想情形,P代表陸生植物,A代表海藻.由圖可見(jiàn),海藻的生長(zhǎng)率開(kāi)始下降的溫度比陸生植物低.植被的覆蓋面積影響到對(duì)陽(yáng)光的反射率和大氣內(nèi)溫室氣體CO2的沉降,在曲線的正斜率區(qū)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)起到負(fù)反饋的作用,但在負(fù)斜率區(qū)此調(diào)節(jié)機(jī)能失效.所以海面上的浮游植物只在南北極調(diào)節(jié)氣候,而陸生植物對(duì)氣候的這種調(diào)節(jié)機(jī)制也限于平均溫度在18℃以下起作用.2地球大氣溫度的變化地球大氣中經(jīng)常有白云,地球物理學(xué)家估計(jì),云層將太陽(yáng)輻射的34%直接反射到太空中去.剩下66%的太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣、海洋、地面復(fù)雜的吸收、輸運(yùn)和轉(zhuǎn)化過(guò)程,最后還要以輻射形式將能量發(fā)射到太空去.地表溫度是很不均勻的,高層大氣的溫度相對(duì)比較均勻.因此,我們用高層大氣的溫度來(lái)研究地球大氣溫度的變化.根據(jù)地球輻射收支平衡理論,可以推導(dǎo)出地球大氣溫度T?隨地球?qū)μ?yáng)輻射吸收率X的變化關(guān)系:T⊕=[X4(Rr)2]1/4?T0?273℃Τ⊕=[X4(Rr)2]1/4?Τ0-273℃(6)R和r分別為太陽(yáng)和地球的半徑.當(dāng)?shù)厍驅(qū)μ?yáng)輻射的吸收率取值66%～74%時(shí),地球大氣溫度變化值如表1所示.由表可知,當(dāng)?shù)厍驅(qū)μ?yáng)輻射的吸收率變化1%時(shí),大氣溫度大致將變化1℃.3預(yù)防和減少溫室效應(yīng),創(chuàng)造豐富的“負(fù)熵”源在南北兩極,有計(jì)劃地大面積種值海藻,吞吸大氣中的溫室氣體,如CO2,降低大氣中溫室氣體的濃度,適當(dāng)降低大氣的平均溫度,從而在一定程度上減小溫室效應(yīng)對(duì)人類的破壞作用.同時(shí),不計(jì)其數(shù)的海藻猶如眾多的“負(fù)熵制造廠”,可源源不斷地創(chuàng)造“負(fù)熵”,為人類和整個(gè)生物圈提供豐富的“負(fù)熵”源.4人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的未來(lái)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,人類以社會(huì)生產(chǎn)和消費(fèi)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的物質(zhì)、能量和熵的交換及其在內(nèi)部的流轉(zhuǎn).在物質(zhì)交換中,輸入物質(zhì)資源,排出產(chǎn)品和廢物;在能量交換中,輸入可利用能,排出廢熱.在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,物流、能流總是伴隨著熵流的產(chǎn)生,在經(jīng)濟(jì)過(guò)程中固然以得到低熵的產(chǎn)品和能量為目標(biāo),卻總是以同時(shí)產(chǎn)生高熵的廢物和廢熱為代價(jià).人類不停地勞動(dòng),不斷從自然環(huán)境(現(xiàn)存的生態(tài)系統(tǒng)和地球表層過(guò)去的“積蓄”)中獲取低熵物質(zhì),克服社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)不可避免的熵的增加,維持自己的生存.如果環(huán)境的熵不斷增長(zhǎng),嚴(yán)重退化,人類社會(huì)的后果是可怕的.當(dāng)今,盡管農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步還存在潛力,若聽(tīng)任人口無(wú)限制地膨脹下去,世界糧食的前景未可樂(lè)觀.何況世界淡水和其它的資源也是有限的.難怪人們說(shuō),當(dāng)今生態(tài)危機(jī)有種種,如全球變暖、臭氧洞、空氣污染、酸雨、森林砍伐與沙漠化等,下世紀(jì)面臨最嚴(yán)重的問(wèn)題將是人口巨增.從圖4可以看出,世界人口的增長(zhǎng)比指數(shù)律還要快.我們的“地球村”太小了,很快將承受不起