Энергия и жизнь

Впервые организацию сложной структуры в простой системе наблюдал французский физик Бенар в 1900 г. Это были шестиугольные ячейки, названные теперь в его честь бенарами. Получить их несложно. Надо налить на сковороду немного вязкой жидкости (например, растительного или минерального масла) и нагревать ее на медленном огне. Пока тепловые потоки малы, т. е. нагрев слаб, жидкость неподвижна, поток тепла усиливает молекулярную диффузию. Внизу образуется более горячий слой с меньшей плотностью, который стремится вверх, а на его место опускаются более холодные слои. По мере роста потока тепла должна возникнуть та самая конвекция, благодаря которой осуществляется выравнивание температуры в комнате. Однако при медленном возрастании перепада температур между верхним и нижним слоем, как обнаружил Бенар, неожиданно вся поверхность масла преображается — она разбивается на отдельные ячейки, большинство из которых имеет форму шестигранников, т. е. призматических шестиугольных цилиндриков от поверхности до дна сосуда. Образуется цикл по веществу: жидкость поднимается вверх в центре ячейки и опускается вниз у граней. Такая структура характеризуется более эффективным теплопереносом или более интенсивной диссипацией энергии. При этом происходит конкуренция и «выживают» именно шестигранники — наиболее эффективные рассеиватели энергии, способные полностью заполнять пространство [Кадомцев, Рыдник, 1981].

При дальнейшем увеличении теплопотока ячейки мельчают, их становится больше, а затем они исчезают. жидкость переходит в стохастическое турбулентное движение, так как теперь уже турбулентность более эффективно обеспечивает перенос тепла.

Таким образом, имеет место но «самоорганизация» структуры, а вынужденная организация циклических потоков вещества под влиянием внешней возмущающей силы ( потока тепла в данном случае).

Аналогичную физическую природу имеют вихри, открытые Дж. Тейлором в 1923 г. Они возникают в жидкости, налитой между двумя концентрическими цилиндрами, при вращении внутреннего цилиндра с определенной частотой.

В крупных масштабах интересное явление «самоорганизации» сложных, симметричных структур можно наблюдать в морях и океанах. Оно связано с образованием так называемых вихрей Лангмюра. Суть этого процесса заключается и следующем. При слабом ветре образуются довольно устойчивые вихри, в которых вода циркулирует вверх и вниз, образуя ряд зон подъема и опускания, которые чередуются в пространстве (рис. 2). Это может приводить к пятнистости планктона, скапливающегося в зонах подъема или опускания в зависимости от его плавучести, отрицательной или положительной. Иногда, в ночное время, эта сложная картина хорошо прослеживается по чередованию полос или более сложных структур свечения морской коды, так как многие виды планктеров способны к биолюминесценции. С увеличением ветра организованные в вихри структуры исчезают, начинается турбулизация, а с нею — образование новых структур, гораздо более подвижных. Мы к ним привыкли, это — самые обыкновенные волны. Однако не мешает подумать, что все они — тоже вариант «самоорганизации», вариант диссипативных структур, так как возникают при постоянно дующем ветре, не имеющем строгой волновой природы, хотя и несущем вихри. С их образованием диссипация энергии ветра несомненно увеличивается.

Рис. 2. Вихри Лангмюра, возникающие в достаточно спокойной воде при слабом ветре.

Зоны возможного скопления организмов с положительной (а) и отрицательной (б) плавучестью.

Конвективные ячейки можно наблюдать и при циркуляции воздушных масс, вызванной неравномерным нагреванием суши и атмосферы. Описаны и зарисованы почти правильные шестигранники из облаков со сторонами в несколько километров. Движущая сила — более высокая температура поверхности Земли. Организация циклов движения воздуха такая же, как в ячейках Бенара. Энергетическая выгодность шестигранников также не вызывает сомнения.

Наконец, несколько неожиданная картина «структуризации» Солнца была обнаружена при фотографировании участков солнечной поверхности через телескопы, поднятые в стратосферу. Поверхность оказалась состоящей из гранул (зерен). Как будто рассыпан слой зерна. Эти гранулы являются результатом конвекции во внешнем слое Солнца. В центре гранул солнечная плазма поднимается; по краям, отдав энергию на излучение и охладившись, она опускается. Разность температур приводит к контрасту яркости, что мы и воспринимаем как ячейки. Размеры гранул 200—1300 км, «живут» они в среднем 10 мин, затем границы старой гранулы размываются и вместо отмершей возникает новая структура. Легко можно видеть глубокую аналогию таких гранул с ячейками Бенара. Напомним, что во всех примерах динамические структуры образовывались в промежуточной системе, через которую шел поток энергии от источника к стоку (см. гл. 1).

Теперь можно сделать несколько выводов общего плана. Прежде всего ответим на вопрос, бывает ли «самоорганизация» сложных структур в таких системах? Корректнее отвечать — не бывает! Не бывает «само» организации. Бывает вынужденная организация циклических потоков вещества в виде динамических структур под влиянием внешней возмущающей силы. И такая структура (от маленькой ячейки на сковороде, облачных шестигранников до огромных солнечных гранул) существует до тех пор, пока она более эффективно выполняет функцию переноса, чем если бы этот перенос осуществлялся без нее. Итак, выводы в сжатой форме.

1. Внешний движитель — источник энергии вызывает циклические переносы вещества, организуя динамические структуры в промежуточной системе. Сам момент появления такой структуры случаен, он связан с флуктуациями в системе.

2. Эти структуры более интенсивно выполняют функцию переноса, выживают в конкурентной борьбе наиболее эффективные (их можно назвать «приспособленные» ).

3. Если при изменении потока энергии структура начинает хуже выполнять функцию переноса, то она либо заменяется на новую, либо исчезает совсем.

Самый общий вывод: в системе с протоком свободной энергии структура вторична, функция первична.

Этот вывод можно было бы даже окрасить в теологические тона (кому нужна функция: уж не от бога ли все это?), но вопрос этот сам собой снимается, так как есть материальный носитель, «возмутитель спокойствия» и организатор движения: на нашей планете это прежде всего поток солнечной энергии. Некоторую роль играет и поток тепловой энергии от центра Земли, особенно за геологическое время. Рассмотрим подробнее поток свободной энергии от Солнца.

Глава 3. Солнце — главный источник энергии для поверхности Земли

О солнце, ты живот и красота природы,

Источник вечности и образ божества!

Тобой живет земля, жив воздух, живы воды,

Душа времен и вещества!

Из большого числа возможных источников энергии, имеющихся у нашей планеты, первое место, несомненно, следует отдать солнечному потоку, который поддерживает необходимые температурные условия Земли (чтобы мы не испарились, перегревшись, или не замерзли, переохладившись).

Культ Солнца был развит у большинства народов, населяющих Землю, и недаром поток солнечной энергии составляет основу всех потоков энергии на нашей планете (рис. 3).

К внешней границе тропосферы подводится поток солнечной радиации примерно 1000 ккал/(см2·год) (или около 2 ккал/(см2·мин)). Из-за шарообразности Земли на единицу поверхности внешней границы тропосферы в среднем поступает четвертая часть — примерно 250 ккал/(см2· год). Треть этого потока отражается, и, следовательно, Земля поглощает 167 ккал/(см2· год). Из них 59 ккал/(см2· год) поглощает атмосфера, и на долю поглощения земной поверхностью приходится 108 ккал/(см2·год). Эта энергия «перерабатывается» различными способами. В виде длинноволнового инфракрасного излучения с поверхности Земли уходит 36 ккал/(см2· год).