В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Представим себе следующую картину. Жидкость, налитая в широкий плоский круглый сосуд, подогревается снизу, охлаждается сверху. Будем считать, что плотность линейно зависит от температуры, вязкость и коэффициент теплопроводпости от температуры не зависят. Темпоратуры на дне и поверхности жидкости поддерживаются постоянными, а разность температур между ними можно медленно изменять (рис. 17.9). Рассмотрим поведение некоторого ма- т., лого объема жидкости при изменении его температуры. Если температура этого объема равна температуре окружающей жид- Т, о б кости, то он будет находится с ней в равновесии. Если в ре- Рис.
17.9. Образование ячеек зУльтате флУктУаЦий РассматРи- Бенара вид сбок (а) Ячейки ваемый объем жидкости пеРе- Бена!эа вид сверху (б) местился вверх, то он окажется среди более холодной жидкости, и на него будет действовать выталкивающая сила. Под действием этой силы обьем жидкости переместится еще выше, выталкивающая сила возрастет и т.д. 11ь 17. Оснооные вонлшпл экологии 371 Образуется положительная обратная связь. Аналогично при смешении воображаемого объема жидкости вниз возникает положительная обратная связь, приводящая к еще более сильному заглублению жидкости. Наряду с механизмами положительной обратной связи существуют механизмы отрицательной обратной связи, обусловленные вязкостью и диффузией тепла.
Будем увеличивать разность температур между дном и поверхностью жидкости. После того, как градиент температуры в жидкости превысит некоторое критическое значение, вся жидкость в сосуде разбивается на систему гексагонвльных циркуляционных ячеек. В центральной части ячейки жидкость поднимается, а в пограничных боковых гранях опускается. В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном наоборот. В зависимости от знака температурной зависимости коэффициента молекулярной вязкости от температуры направление движения в ячейках изменяется па обратное.
Г!ри подогревании тонкого протяженного слоя возможно возникновение конвективных ячеек в форме валов. Поверхностное натяжение жидкости вследствие зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры может осложнить явление. Возникновение циркуляционных ячеек обеспечивает передачу большего теплового потока в жидкости во сравнению с тепловым потоком, который передавался только за счет молекулярной теплопроводности (рис. 17.10). Гигантская структура таких ячеек наблюдается на Солнце, движение материков обусловлено конвективными процессами в Земле.
Если этот же сосуд, пе нагревая его снизу, заставить вибрировать, то в жидкости при определенных частотах вибрации могут возникать упорядоченные структуры, обусловленные уже внешним механическим воздействием. Приведем оценку экспорта энтропии для ячеек Бенара. Пусть температура нижней поверхности равна 7 ы температура верхней Рис. 17.10. Зависимость скорости производства энтропии в жидкости от вертикально направленного градиента температуры: ! область хаотического движения молекул; 11 — область конвективных потоков рл. 17. Ооноеньн понятия экологии 372 поверхности равна Т2, а в единицу времени от нижней поверхности к верхней поступает поток тепла д.
В этом случае полный поток энтропии через граничную поверхность системы равен Таким образом система экспортирует энтропию. Число Рэлея, характеризующее меру отклонения от положения равновесия, равно додал Йа = Йн где д -- ускорение свободного падения, 6 - толщина слоя, ~3-- градиент температуры, гг — коэффициент обьемного расширения, Й .- коэффициент теплопроводпости, и -- коэффициент кинематической вязкости. Число Нуссельта Дга, характеризующее меру отклонения от линейного режима, равно отношению полного теплового потока и части теплового потока, обусловленного теплопроводностью.
На зависимости Л'а от йа существует несколько изломов. При соответствующих критических значениях йа происходит перестройка характера конвективиых движений, изменяется скорость производства энтропии. В реальных условиях протекание явления Бенара много сложнее. Значительную роль играют зависимость поверхностного натяжения от температуры и неустойчивость Марангопи. Существуя)т пространственные, временные и пространственно- временные диссипативные структуры.
Конвективныс ячейки Бенара, кольца Сатурна являются примерами пространственных диссипативных структур. Временные и пространственно-временные диссипативные структуры возникают, например, при протекании некоторых нелинейных химических реакций. Хорошо известным примером таких реакций являются реакции Белоусова (рис. 17.11). В 1951 г. Белоусов показал, что в смеси лимонной кислоты, бромата калия КВг02 и сульфата церия Се(804), происходит реакция восстановления церия; Сель — ) Сев ь+ Вг и реакция окисления церия: Сев+ -э Сел+. Рл. 17.
0«нонны«нонлтил »вологин 373 Рис. 17.11. Кою1ентрвционные волны в реакции Белоусовя (а) и вло- женные волны в реакции Белоусова (б) реакция окисления цсрия является автокатвличсской, т.с. продукты реакции являются се катализаторами. Сначала протекает медленная реакция восстановления церия, так как Вг действует как сильный замедлитель.
После превращения всего Се~~ в Сс~т начинается быстрая реакция окисления Ссз+. Затем про- цЕСС ПОВтОряЕтея СНаЧаЛа. ТаК КаК ИЗбЫтОК Ссзт ОКраШИВаЕт расгвор в красный цвет, а избыток Се~+ окрашивает раствор в синий, наблюдается периодическое изменение цвета раствора.
Колебания будут происходить до тех пор, пока не будут израсходованы все реактивы реакции. При протекании этих химических реакций в тонком слое будет иметь место образование пространственно-врсменных структур, которые имеют форму кольцевых или спиральных волн. Спиральные волны образуются при разрыве плоских или кольцевых волн. Источники кольцевых волн называются ведущими центрами, которые возникают в результате случайных флуктуаций концентраций.
Общим в процессах самоорганизации является совместное или когерептное движение большого числа элементов системы. Для таких процессов самоорганизации используется термин «синергетика» (от греческого вупсгяс1а совместное или кооперативное действие). Природа процессов самоорганизации заключается в том, что термодинамическая система, находящаяся вдали от равновесного состояния в нелинейной области теряет устойчивость и под действием малых флуктуаций переходит н новое состояние., при котором в системе реализуется кооперативное движение макроскопических частиц системы.
дл. 17. Ооноеньн понятия онологии Вывод нелинейной термодинамики о возможности образования структур, т.е. о возможности саморазвития системы без внешних организующих факторов является принципиально важным, так как приводит к возможности образования жизни естественным путем, без вмешательства потусторонних сил. Основным источником энергии, поступаю|пей на Землю, является Солнце. Солнечное излучение формируется в результате интенсивного взаимодействия с веществом в верхних слоях Солнца и находится с ним в равновесии. Электромагнитное излучение Солнца можно охарактеризовать двумя температурами энергетической, которая определяется законом Стефана-.Больцмана, и спектральной, определяемой из закона Вина. Для равновесного излучения эти температуры равны. Показателем неравновосности излучения может служить разность энергетической и спектральной температур.
По мере удаления от поверхности Солнца энергетическая температура падает, а спектральная температура остается без изменения. Таким образом., неравновесность излучения по мере удаления от Солнца возрастаетс Поэтому с увеличением расстояния от Солнца создаются более благоприятные условия для процессов самоорганизации, которые протекают в неравновесных условиях. С другой стороны, сложность образуемых систем зависит от температуры. С увеличением расстояния от Солнца температура падает, поэтому существует некоторое оптимальное расстояние, на котором возможно образование систем максимальной сложности. Уровень самоорганизации системы определяется степенью отклонения от равновесного состояния и уровнем сложности.
В солнечной системс наиболее оптимальное сочетание названных параметров наблюдается па расстояниях, соответствующих орбите Земли. Таким образом, в Солнечной системе наибольший уровень самоорганизации может быть достигнут на Земле. Земля находится в состоянии энергетического равновесия с приходящим солнечным излучением. Средняя температура Земли не изменяется уже несколько миллионов лет.
Спектральная излучательная способность солнечного излучения близка к температуре абсолютно черного тела при 6000 К и существенно отличается от аналогичной характеристики земного излучения. Это обусловлено тем, что средняя температура Земли гораздо ниже - около 300 К.
При равенстве мощности падающего па Землю и испускаемого ей излучения и таком различии спектральных характеристик Земля излучает примерно в 20 раз больше фотонов, чем поглощает. Плотность энтропии излучения пропорциональна плотности фотонов, значит, Земля излучает энтропии в 20 раз /гь! 7. 0«ноаные вона»»пи»хологиа 375 больше, чем получает.
То есть Земля является мощным генератором энтропии. Этот рост скорости производства энтропии обеспечивается диссипативными структурами, существующими на нашей планете, в биосфере. Одним из основных признаков самоорганизующейся системы является когерентное поведение ее элементов. Примером когерентного поведения являются крупномасштабные течения и вихревые образования в атмосфере и океане.
Для живых существ также характерно когерентное поведение, которое в этом случае обеспечивается генетическим кодом или стереотипами поведения. Приведем оценку экспорта энтропии па Земле. Плотность энергии абсолк>тно черного излучения равна 1, = оТ«, а плот- 4 ность энтропии —. 1, = -о Тз. Выражая 1, через 1,, получим 3 1» = — — '. 4 /, 3 Т Таким образом, скорость производства энтропии на Земле равна где То температура солнечного излучения, ТЗ вЂ” средняя температура поверхности Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
