Жизнь, иерархия и термодинамический механизм планеты Земля

На протяжении истории Земли жизнь значительно увеличивалась по численности, сложности и разнообразию. Одновременно она существенно изменяла окружающую среду Земли, эволюционируя некоторые ее параметры в состояния, все более удаленные от термодинамического равновесия. Например, концентрация кислорода в атмосфере на протяжении истории Земли возрастала, что приводило к усилению химического неравновесия в атмосфере, а также к увеличению окислительно-восстановительного градиента между атмосферой и восстановленной корой Земли. Эти тенденции, по-видимому, противоречат второму закону термодинамики, согласно которому в изолированных системах градиенты и свободная энергия со временем рассеиваются, приводя систему к состоянию термодинамического равновесия. Это кажущееся противоречие разрешается, если рассматривать планету Земля как связанную, иерархическую и эволюционирующую неравновесную термодинамическую систему, существенно измененную поступлением свободной энергии, генерируемой фотосинтезирующей жизнью. В работе представлена иерархическая термодинамическая теория системы Земли. Сначала рассматриваются простые соображения, показывающие, что термодинамические переменные отклоняются от состояния термодинамического равновесия вследствие передачи мощности от другого процесса, а возникающее состояние неравновесия отражает совершенную в прошлом суммарную работу над данной переменной. Этот подход применяется к процессам, происходящим на планете Земля, для характеристики генерации, передачи и рассеяния свободной энергии — от радиационных градиентов до градиентов температуры и химического потенциала, порождающих химическую, кинетическую и потенциальную свободную энергию, а также соответствующую динамику климатической системы и геохимических циклов. Максимизация передачи мощности между процессами внутри этой иерархии приводит к термодинамическим коэффициентам полезного действия, значительно меньшим, чем эффективность цикла Карно в равновесной термодинамике, и тесно связана с предложенным принципом максимума производства энтропии (MEP). Далее роль жизни рассматривается как фотохимического процесса, генерирующего значительные количества химической свободной энергии и фактически обходящего ограничения и неэффективность, связанные с передачей мощности внутри термодинамической иерархии планеты. Такой взгляд позволяет рассматривать жизнь как средство преобразования многих аспектов планеты Земля в состояния, еще более удаленные от термодинамического равновесия, чем это возможно исключительно за счет абиотических процессов. С этой точки зрения очаги жизни с низкой энтропией возникают на фоне общей тенденции системы Земли увеличивать энтропию Вселенной с максимально возможной скоростью. Обсуждаются следствия этой теории для фундаментальных недостатков моделирования системы Земли, ее применения к реконструкции истории системы Земли, а также роли деятельности человека в будущем планеты.