Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
Топ:
Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж...
Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного...
Когда производится ограждение поезда, остановившегося на перегоне: Во всех случаях немедленно должно быть ограждено место препятствия для движения поездов на смежном пути двухпутного...
Интересное:
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...
Дисциплины:
2017-11-22 | 252 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
И кризисы, и катастрофы – это не какие-то исключительные явления, это необходимые элементы развития мира, это разрушение старого и возникновение нового. Если кризис не реализуется в катастрофе в одном случае, рано или поздно он все же приведет к ней, потому что кризис и катастрофа представляют собой составные части процесса самоорганизации материи.
Любая устойчивая структура, т.е. какой-то существующий порядок, организованность, не является вечной. Устойчивость любой системы может быть нарушена, и для этого достаточно возникновения подходящих возмущений.
Крупнейший ученый в области термодинамики и статистической физики, Нобелевский лауреат Илья Пригожий связывает процедуру самоорганизации с триадой: устойчивость, бифуркация и катастрофа [71].
Первым шагом, ведущим к возникновению новых образований, является появление так называемых диссипативных структур – структур с нарушенной симметрией (диссипация – рассеяние). Такие структуры могут иметь как биологическую, так и физическую природу, но, как замечает П. Эткинс, все они возникают из хаоса – «праха» и вновь обращаются в «прах» [97].
Классическим примером такой структуры обычно служит ячеистая структура Бенара (неустойчивость Бенара). Она возникает в жидкости, в которой между двумя плоскостями появляются конвективные течения, обусловленные нагревом снизу и отбором теплоты сверху. Причем при малом градиенте температуры частицы жидкости просто хаотически двигаются, с ростом градиента – все быстрее и быстрее, но... хаотично. При достижении определенного критического значения градиента хаос преобразуется в порядок – перемешивание молекулярное перерождается в струйное (конвективное). И положение этих струй фиксируется в виде ячеек (рис. 3.2).
|
Пространственные структуры конвективных ячеек приведенного типа широко распространены на Земле. Посмотрите еще раз на рис. 1.10. Особенно впечатляет Африкано-Аравийский регион, где кольцевые структуры как будто зафиксировали когда-то «кипящий котел» недр.
А вот рис. 3.3, иллюстрирует представления современной тектоники плит, в соответствии с которыми конвективные течения растягивают литосферные плиты, являясь причиной появления рифтов (Рифт – раскол с растяжением; термин относится к планетарным структурам Земли.) и погружения краевых частей литосферных плит под континенты – зоны Беньоффа (То же, что зоны субдукции: погружение по наклонным разрывам одних литосферных плит под другие.).
Правда, эта схема отражает лишь представления о реальности, хотя в ее основе и лежит огромный объем натурной информации, а также весьма изощренные расчеты и теоретический анализ. Кроме того, нетрудно понять, что здесь можно говорить только о принципиальной аналогии с ячейками Бенара. И дело не просто в разных масштабах явления и соотношении горизонтальных и вертикальных расстояний, но и в веществе. Верхняя мантия над астеносферой – это не жидкость, а вязкопластичная среда со сложным составом. Но коль скоро теория плит говорит о конвективных течениях в верхней мантии, связанных с разогревом снизу и снятием теплоты сверху, есть все основания рассматривать эту структуру как диссипативную.
Скорее всего эта структура более сложна, чем показано на схеме, и крупные, вытянутые вдоль сфер конвективные ячейки состоят из ячеек более мелких и многочисленных. Об этой возможности свидетельствует карта гравитационных аномалий, построенная по данным измерений траектории одного из искусственных спутников Земли (рис. 3.4).
Эта карта иллюстрирует довольно пеструю картину распределения плотностей в ближайших к нам областях недр Земли. А мы еще из школьных курсов физики знаем, что если среда не твердая и вещество в ней способно к конвективным перемещениям, то легкий материал будет всплывать, а тяжелый – тонуть. Это определяет процесс, называемый конвекцией. В этом случае чем рис. 3.4 отличается от ячеистой структуры Бенара? Принципиально ничем. Просто он не так строго геометричен.
|
Подобного рода примеров можно привести много. Ограничимся еще одним. На рис. 3.5 показана схема, иллюстрирующая среднюю меридиональную циркуляцию в атмосфере в зимний период. Положение фронтов струйчатых течений соответствует средним синоптическим условиям. В течение года и за многолетний период границы фронтов испытывают существенные флуктуации как в пространстве, так и по контрастности своего изменения. Обратим внимание на чрезвычайно важный факт – разрыв тропопаузы в области 30-х широт. Этот разрыв обеспечивает выброс воздушных масс из тропосферы в стратосферу. На фоне общих диссипативных функций тропопаузы проявляются участки активного струйчатого обмена.
1 Редукция Фая – поправка за свободный воздух, учитывающая положение реальных точек поверхности Земли от нулевого геоида – поверхности, при перемещении по которой сила тяжести не меняется (теоретическая нулевая поверхность).
И. Пригожий выделяет в диссипативных структурах три взаимосвязанных аспекта: функцию, управляющую их жизнью, саму пространственно-временную структуру, т.е. некий пространственно-временной порядок, возникающий из-за неустойчивости, и флуктуации, «запускающие» неустойчивости. Между этими аспектами И. Пригожий видит определенное взаимодействие:
в котором обнаруживается неожиданное явление – возникновение порядка через флуктуации.
Мы снова видим, что сущность вещей строится на компромиссах. Флуктуациии – это колебания. Они как бы раскачивают систему изнутри. Но если они ритмичны, если их амплитуда не опасна для системы, они ее не разрушают, а наоборот, укрепляют, потому что всякое внешнее возмущение должно будет преодолеть кинетическую энергию этих колебаний. Появляется как бы устойчивость неустойчивости. На наш взгляд, это есть проявление кризисного состояния – компромисс между устойчивостью и неустойчивостью. Наверное, всякую диссипативную структуру можно назвать кризисной:
|
диссипативная структура ≡ кризисная структура.
Эти структуры весьма чувствительны к размерам и форме систем, граничным условиям на их контуре и т.п. Влияние внешних условий на их поведение может быть довольно сильным.
Теперь, понимая, что такое диссипативная структура, мы можем рассмотреть пример экологической системы, известный в литературе как задача «хищники – жертвы» или «лисы – кролики». По-существу, это игра, в которой много условностей, но которая вполне точно иллюстрирует суть дела.
Условия этой игры таковы.
1. Запас травы неисчерпаем, и ее количество в процессе поедания кроликами не меняется.
2. Кролики, поедал траву, увеличивают свое поголовье (популяцию).
3. Лисы поедают кроликов, и их популяция также растет.
4. Лисы, помимо естественной гибели, подвергаются еще и частичному истреблению как промысловый пушной зверь.
Формально все это можно записать следующим образом:
кролики + трава → больше кроликов;
лисы + кролики → больше лис;
лисы →меха.
Трава является аналогом теплоты, подводимой к системе. Процессы «кролики + трава» и «лисы + кролики» протекают спонтанно, т.е. сами по себе, и, по меткому выражению П. Эткинса, из книги которого мы взяли этот пример, кролики создаются из травы и лисы из кроликов, также как мех создается из лис.
Система «лисы – кролики» работает в так называемом автокаталитическом режиме. Это означает, что определяющие систему процессы при отсутствии ограничений приведут к катастрофическим результатам. Каждый процесс в отдельности, как бы повторяя сам себя, создает лавинообразный рост популяций. Примеры таких «лавин» хорошо известны: появление полчищ саранчи, проблема кроликов в Австралии.
Однако взаимосвязь таких процессов в системе создает колебательный эффект, определяющий устойчивую периодичность: флуктуации порождают устойчивость, хотя сами флуктуации есть ничто иное как неустойчивость.
Модель системы «лисы – кролики» или «хищники – жертвы» в научной литературе связана с именами Лотки и Вольтера и имеет соответствующие уравнения и компьютерные решения. Мы не будем останавливаться на этих вопросах. Интересующийся читатель может самостоятельно с ними познакомиться, в частности, в уже названных работах И. Пригожина и П. Эткинса.
|
Обратим внимание лишь на графическое оформление этой модели (рис. 3.6). Каждая начальная точка (те или иные начальные данные) определяют только одну траекторию развития (одну замкнутую кривую). Точка в центре олицетворяет абсолютную устойчивость системы. Вся система как бы вращается вокруг этого стационарного состояния – флуктуирует по замкнутым кривым (стрелки на рис. 3.6 показывают направление флуктуации).
Смысл флуктуации довольно прост.
1. Обилие травы способствует увеличению количества кроликов, и происходит это быстро, поскольку число лис еще невелико и рост их популяции отстает от темпа воспроизводства жертв.
2. Постепенно изобилие пищи приводит к быстрому увеличению числа хищников, и их активная жизнь резко снижает рост популяции кроликов.
3. Благодаря созданному на первой стадии запасу пищи (кроликов) какое-то время еще увеличивается популяция хищников.
4. Но по мере съедания «запасов» падает и способность лис к активному воспроизводству.
5. Далее процесс повторяется точно по той же кривой, если в системе и на ее границах не произошло никаких принципиальных изменений.
6. Рабочая кривая жизнедеятельности системы, ее реальный цикл, определяется начальными условиями (количеством кроликов, лис, заданным темпом их рождаемости и смерти, прожорливостью лис и т.д.)
В этой модели трава является аналогом энергии (теплоты), подаваемой в систему извне, мех лисиц – аналогом отбора теплоты (он выводится из системы). Вспомните еще раз принцип работы тепловых машин, второй закон термодинамики и четвертый закон экологии: нагреватель – холодильник, всю теплоту нельзя превратить в работу, за все надо платить. Вспомнили?
Ведь это один и тот же принцип, но проявляющийся в разных формах. Также обстоит дело и с понятием диссипативной структуры. Она не обязательно связана с конвекцией вещества, т.е. нет надобности всегда искать физические подобия ячеек Бинара. Речь идет об упорядоченности элементов системы, о ее устойчивости как целого – устойчивости, построенной из неустойчивых, флуктуирующих параметров.
Однако для нашего с вами разговора не только это обстоятельство является важным. Важен еще один момент: помимо неустойчивости в виде флуктуации в системе спрятаны потенциальные возможности катастроф в виде автокаталитических процессов, формирующих систему.
В нашем примере достаточно изъять из системы лис (хищников), и кролики уподобятся тучам саранчи, реальная трава будет съедена, и кролики исчезнут. Вызвать катастрофу можно и другими способами – скажем, запашкой всех лугов и пастбищ и т.д. Но мы изначально не обсуждаем «другие» возможности. Мы хотим нацелить вас на видение присутствия катастроф внутри благополучной устойчивой системы.
|
|
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!