Когато Стив Милър (Steve Miller), метеоролог от Университета на Колорадо заяви пред Science Channel, че шестоъгълната форма на облаците над "Бермудския триъгълник" е доста необичайна, не бе прав.
Подобни фигури се срещат често при определени условия, заедно с турбулентните явления в природата - не само в атмосферата на Земята, но и на Сатурн, както и в течности. Физиците ги наричат "клетки на Бенар".
Турбулентността е сложно и хаотично във времето и пространството поведение на газове и течности. В него няма закономерности, а подробностите от това движение не могат да се възпроизведат за големи интервали от време и затова хидроинженерите работят с емпирични статистически формули, а синоптиците често грешат в прогнозите си.
Защо е така?
Облачен слой от клетки на Бенар край западното крайбрежие на Африка. Снимка: Meteosat-7/23 август 2001
Флуидите като водата или въздухът се състоят от много малки частици, наречени молекули. Представете си, че всяка частица се удря в своите съседи. В газовете като въздуха, частиците се сблъскват взаимно и отскачат, а в течностите като водата е постоянното блъсканица, като хора, които се опитват да влязат на футболен стадион. Всяка частица се подчинява на законите на Нютон - на същите закони, които обясняват на движението на планетите, но вместо просто планетарно движение, се получава богато разнообразие от поведение на флуидите, което може да видите всеки път, когато разбърквате мляко в кафето си или погледнете облак.
Движението на течностите в чаша кафе, еволюцията на ураганите, поведението на океанските течения и дори атмосферата на Юпитер - всички от тези процеси се описват със системи нелинейни частни диференциални уравнения, които и най-бързият компютър сега може да реши само за относително прости проблеми.
И в такива системи се наблюдава съгласувано поведение, в резултат на което нараства степента на подреденост.
Лазер
Атомите в лазера, могат бъдат доведени до възбудено състояние под действието на енергия отвън, например, чрез осветяване. Ако външната енергия е недостатъчна, лазерът работи като радиолампа. Когато външната енергия прехвърли критичната долна граница, атомите, по-рано изпускащи вълни хаотично и независимо, започват да излъчват един мощен кохерентен (съгласуван) сноп вълни с дължина около 300 000 км. Атомите се колебаят съгласувано в общ ритъм и импулс във вид на лазерен светлинен сноп.
 |
 |
|
| Отделните атоми все още се движат по случаен, неподреден начин. | Фазово преминаване от неподреденост към подреденост |
Клетките на Бенар
Клетките на Бенар възникват, когато имаме хоризонтален слой течност и определено вертикално разпределение на температурата. Долната повърхност на слоя течност се нагрява до дадена температура, по-висока от температурата на горната повърхност. При определени (гранични) условия в слоя течност се устанавява постоянен поток топлина, движещ се отдолу нагоре. Когато приложения градиент на температурата достигне някаква гранична стойност, състоянието на покой на течността (стационарното състояние, в което преноса на топлина се осъществява без помощта на конвекция само благодарение на топлопроводимостта) става неустойчиво.
През 1900 г. френският изследовател Анри Бенар (Henri Bénard) публикува докторската си дисертация "Cellular Eddies in a Horizontal Liquid Layer" с фотография на структура, напомняща пчелни кутийки. При нагряване отдолу на слой живак, налят в плосък широк съд, слоят се разпадал на еднакви вертикални шестостенни призми, които впоследствие били наречени клетки на Бенар.
При клетките на Бенар неустойчивостта има прост механичен произход. Когато нагряваме течността отдолу, долния слой течност става по-малко плътен и центъра на тежестта се премества нагоре. След някаква критична точка системата се "срива", колапсира и възниква такова движение на молекулите (конвекция), което е съгласувано или кохерентно. При това пренасянето на топлина става по-интензивно.
Движението на течността поражда сложна пространствена организация на системата. Милиони молекули се движат съгласувано, образувайки конвекционни клетки във форма на правилни шестоъгълници с някакъв определен размер.
Дисипативните системи на Пригожин
Феноменът на Бенар е засега от най-известните концепции за "системи далеч от равновесие" , изобретени от белгийския химик Иля Пригожин през 1970 г. Това са "подредени структури", които спонтанно се образуват в неравновесна среда. Тези видове конструкции се наричат дисипативни структури от фр. dissipation – разсейване, загуба.
Това като че ли противоречи на втория принцип на термодинамиката – закона за нарастването на ентропията – според който самопроизволно нараства само хаосът, но не организираността.
Структурата на Бенар позволява на системата да оцелее в потока на постъпващата отвън енергия чрез максимално ефективен начин на разсейване на енергията.
"В класическата термодинамика топлинният поток се смяташе за източник на загуби. В клетките на Бенар топлинният поток става източник на порядък" - пише Пригожин. Той доказва, че в дисипативните системи при дадени външни условия, които пречат на системата да постигне термодинамично равновесие, от възможните стационарни състояния се избира такова с минимум производство на ентропия (теорема на Пригожин).
Дисипацията (разсейването) на енергия в течности зависи от отношенето на площта на клетката към обема й (специфичната повърхност): колкото е по-малко това отношение, толкова е по-малка дисипацията. Не е трудно да се убедим, че с най-малката специфичната повърхност се характеризира именно шестостенната клетка. С други думи, в пълно съответствие с изложените принципи, в експеримента на Бенар се реализира наи-изгодната енергийно конфигурация на клетките.
Аналози на клетките на Бенар в стълбчатите шестостенни структури при базалти и гранити.
Самата Земя, а и цялата Слънчева система, също е възникнала като дисипативна структура за сметка на разсеяните в пространството огромни количества космическо вещество и енергия. Днес Земята се е превърнала от дисипативна в почти статична структура. Но в нея продължават да текат динамични процеси - промяната на магнитното поле, движенията на земната кора и притока на вещества от недрата й – вулкани, геотермални извори и др. Тези потоци осигуряват съществуването на йерархии от различни дисипативни структури, като биосферата например. Биосферата е напълно обезпечена с потоци вещества от Земята, а също и с потоци енергия от нея, Слънцето и излъчванията от космоса.
От термодинамична гледна точка животът е гигантска дисипативна структура, състояща се от множество по-малки дисипативни структури.
Произходът на живота от нежива материя е термодинамично възможен, защото за Земята като цяло условието за образуване на дисипативни структури е изпълнено, и затова не е удивително, че на нея са възникнали различни сложни структури – континенти, облаци, урагани, водни течения и накрая - биосферата.
Снимка: MODIS/14 април, 2010.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари