// Вие четете...

Времето и Океана

Хидрометеорология и синергетика.

„Питайте природата, тя пази всички истини и на вашите въпроси ще ви отговори непременно и удовлетворително.” Ф. Бекон

Разгледани са някои перспективи за прилагането на синергетичния подход в изследванията на океана и атмосферата. Приведени са примери за хидрометеорологични явления и процеси, в които присъства само организация на частиците на средата. Предложен е път за изследване на природните синергетични ефекти. Дадено е авторското виждане за атмосферата и хидросферата на Земята.

Синергетиката разглежда комплекса от проблемите на само организацията и само дезорганизацията (възникване на хаоса) в динамичните системи. Като правило, изследваните системи се явяват диссипативни отворени системи, тоест в земни условия на всяка система, където няма приток на енергия от вън.

Руската метеорология засега се отнася към синергетиката индиферентно, но в руската океанология тя вече е проникнала и започва да прави там първите плахи стъпки. Между другото синергетиката като чели специално е предназначена именно за използване приложно към хидрометеорологията, дотолкова, доколкото тя изследва съвместно (колективно) действията на огромно количество отделни частици (обекти).

В съответствие с приведеното определение, синергетиката често я наричат теория на само организация.

Нито океанологията, нито метеорологията никога по-рано не са поставяли въпроси на Природата в такъв ключ – има ли само организация? Освен това, приетата от хидрометеорологията парадигма за пълно премесване на частиците в атмосферата и океана е утвърждавала идеята за хаоса в Природата, и в тази връзка, единствен изход, позволяващ поне нещо да се узнае за атмосферата са били вероятностните формули на Максвел.

Появяването на синергетиката променя обстановката по коренно различен начин. Разглеждайки природните явления не „в усреднено”, не в глобално обобщение, а като чели от вътре на процеса, построявайки своите закономерности на базата на изучаване на поведението на една или на няколко конкретни частици, синергетиката открива само организацията в Природата. Поради това синергетичния подход се представя като много по-обоснован и перспективен. И наистина в действителност, както и първи е сформирал Р. Хорн, океанът се състои от частици вода, въздухът – от разнообразни газови частици, а всичко останало, което ние виждаме – море, течение, вълни, циклони, облаци са вторични, породени и произхождащи в тези среди, процеси.

Именно индивидуалните свойства на всяка частица определя нейната реакция на външно въздействие, на изменение на условията в „натрупването” на енергия. А реакцията на няколко милиарда частици поражда само организацията. Така съществуването на озонния слой в атмосферата се определя от свойството на молекулите на кислорода, поглъщайки слънчевата енергия, като се делят на много активни атоми, които атакуват не облъчените от светлината молекули на кислорода, пораждайки три атомен озон.

Освен това, благодарение на физико–химичните особености на кислородните атоми в озоновия слой се случва „преобръщане” на високочестотната лъчиста енергия в топлинна енергия и озоновия слой нагрява стратосферата, образувайки „спираща” прослойка в атмосферата на Земята.

Разглеждането от позицията на синергетиката на отделните случаи на възникването на само организираща се структура в различните области на научното изследване и комплексния анализ на получените резултати позволяват определянето на общите принципи на само организация и по-дълбоко да се разбере самата Природа, намирайки тези въпроси, които следва да й бъдат зададени, за да бъдат получени правилните отговори. Идеите и достиженията на синергетиката се използват и от науките, които са далеко от естествознанието, например, системотехника, радио информатика и други, но техните интереси основно са за „устройството” на природните системи или за принципите на тяхната „работа”. Получава се така, че естествените науки от типа на хидрометеорологията трябва да се изследват в своята област много по дълбоко и подробно. Специалистите в своята сфера трябва да бъдат и физици, и химици и философи.

Първия мощен импулс за развитието на синергетиката е дала нелинейната химия с откритието на реакцията от типа Белоусов-Жаботински и изследванията на авто вълновите процеси, възникващи в разтворите. Може да се очаква, че втори такъв импулс ще станат новите резултати от хидрометеорологичните изследвания на океана и атмосферата. Подобни данни (нови факти за средата) могат да бъдат получени, на първо място, при провеждането в тези среди на изследвания в областта на само организацията.

Ще се опитаме да посочим някои явления и структури, съществуващи в океана и атмосферата, които на пръв поглед, свидетелстват за наличие на само организация и колективно поведение на частиците (тоест за синергетични ефекти). Преди всичко, това са облаците и валежите. По нататък следват смерча, циклоните, антициклоните, локалните въздушни маси, фронтовите раздели, струйните течения, бриза, мусоните, пасати, различни неголеми циркулации от типа на клетката на Бенар, слоевете в атмосферата (озонов, прашен, йонизиран Е, F, D, радиационен и т.н.), морски и океански течения, апвелинги, водовъртежи, приливи, термо-хало-клин, ледообразуване, лавини и много други.

В приведения кратък списък се вижда преобладаването на такива явления, които основно носят притеснения и безпокойство на специалистите по хидрометеорология във ВМС и ВВС, както и на тези които се занимават с селско стопанство. Това само показва, че подобни явления за сега са недостатъчно и подробно изследвани, а механизмите за тяхното възникване не са открити до края.

Следва да отбележим, че посочените по-горе явления и структури не са съвсем еднозначни в синергетичен план. Едни от тях (облаци, слоеве, лавини и т.п.) могат да бъдат отнесени към квази стационарните процеси или явления на само организацията, а други се отнасят към подвижните (динамичните) системи, свързани с направление на движението на частиците и тяхното преместване (приливи, движещи се въздушни маси, циклони, пасати, мусони, бризове).

Принципите на само организация на квази стационарните и динамичните структури рязко се различават.

Въобще, необходимо е да се отбележи, че въпросите за терминологията в синергетиката се намира в доста запуснато състояние. Строги определения в много аспекти на само организацията няма. Авторите си представят, че поне на пръв поглед под синергетика е следвало да се разбира наука, занимаваща се само със само организация и само дезорганизация, а въпросите, свързани с принудителната организация, примерно от човека (създаването на лазера и т.п.), следва да бъдат изключени от синергетиката.

Разглеждайки по-нататък приведените по-горе явления на само организация, следва да отбележим, че само организацията на частиците в природата е много планова. Така, процесът на възникване на водните капка от молекулите на парата е резултат, определян от собствените свойства на молекулите на водата, тяхната способност активно да се „слепват”. Но образуването на облака е резултат от възникването в атмосферата на циркулация на въздушните частици, в хода на който протича непрекъснато „нарастване” на нивото на кондензация с нови частици пара. В тези примери образуването на капки вода и образуването на циркулацията на въздуха може да се считат като само организация от първи план (ниво) , а образуването на облака – само организация от втори план (ниво).

Въобще може да се положи, че в атмосферата и хидросферата всеки приток (и отток) на енергия към частиците на средата първоначално води към изменение на движението на частиците (изменение на тяхната подвижност или изменение на флюктоацията на скоростта), които по нататък могат да се трансформират или в изменение на стационарната структура на тези частици, или в ново динамично образование (клетка на Бенар, бриз, циклон и т.п.). На кратко казано, изменението на енергията в масата на частиците отначало води към изменение на тяхната скорост, което по нататък се ражда в нов порядък.

Какъв може да бъде пътя на откриването на закономерностите на процесите на само организацията в областта на хидрометеорологичната наука? Отчитайки сложността на съвременния период в финансирането на науката се оказва целесъобразно:

– съсредоточаване на вниманието на изследванията към най-достъпните процеси и явления, които могат достатъчно лесно да бъдат моделирани в лабораторни условия или да бъдат наблюдавани в природата;

– организиране на широк обмен на опитни данни между специалистите по метеорология, океанология и синергетика с привличане на физици, химици и математици;

– развиване на математическото моделиране на изследваните процеси на основата на нелинейните модели и качествения анализ на диференциалните уравнения.

Целта на всички тези изследвания следва да се счита откриването на тези частици или техните групи, а също така условията, които определят началото на само организацията или дезорганизацията на разглежданата структура или явление.

Тук се представят полезни данни на авторското виждане за строежа на водната и въздушната обвивка на Земята. Основно, в най-близко приближение, за двете обвивки може да се счита за хаотично. При това водната среда има хаос в структурата (в строежа), тоест йоните и молекулите на водата с хаотично примесени в тях „дефекти” от странични (не водни) елементи. Цялата структура е аморфна, като стъкло. На този аморфен фон в океана в дълбочина могат да се отделят няколко организирани слоя (прослойки): слой на повърхностния тънък слой вода (ципа), слой на термохалоклина, който трябва да се счита максимално организиран (квази кристалически); горен (върхов) премесен слой, максимално дезорганизиран и хаотичен; прослойки с повишено и понижено съдържания на отделни елементи (дефекти) относно тяхното средно статистическо разпределение.

Във въздушната среда има хаос за отделните частици на въздуха. Обща структура на частиците в атмосферата няма, но в нея съществуват няколко височинни нива (около десет), които се явяват в резултат на процесите на само организацията на частиците на газовете и водната пара.

Всички слоеве в атмосферата и в океана (за изключение на фронтовите зони) се разполагат хоризонтално, паралелно на повърхността на Земята. Всички прослойки могат да възникнат, съществуват, разполагат и отново да възникват на кое да е място. Това се явява като общо правило, но конкретно в атмосферата и в океана действат сили и потоци енергия, пораждани от Слънцето, космическите процеси и Земята, които стабилизират някои слоеве на определени хоризонти (слой на термоклина, тропопауза, стратопауза, слоя на озона и т.п.). Стационарните и не стационарните слоеве са предназначени от Природата за запазване и съхраняване на стабилните условия на планетата. Слоестото построяване на средата позволява бързото ликвидиране на някакво температурно различие (не еднородност) вътре в един – два слоя. Слоят се явява и като допълнително препятствие за резки, аномални скокове в параметрите на обкръжаващите условия. На фона на такива стационарни слоеве в подобни сложни среди съществуват и подвижни динамични структури, които се наричат вихри, конвекции и течения (струйни). Тези структури имат като чели случайно възникване и съдейки по всичко, са предназначени от Природата точно за активното преместване на хаотичната среда между стационарните прослойки.

От синергетиката е известно, че динамичните автовълнови структури (АВС) възникват при нееднородна среда и възниквайки започват да „усредняват” тази среда, постепенно привеждайки параметрите на средата към някакви средни физически показатели. При това най-активна АВС като чели „изяжда” другите, по-малко активни структури. В общ план развитието на АВС в средата напомня за циклогенезата в атмосферата.

Способа на усредняване на параметрите на средата в структурата на АВС могат да бъдат различни, но те винаги се явяват най-ефективни, икономисващи време – това не са процеси на бавна дифузия на частиците, а активни техни премесвания, честотна синхронизация на цялата среда и т.п. В тази връзка представляват интерес изследванията на клетката на Бенар и дисипативните структури (АВС) на средата, близки към морската вода и въздуха, тоест възобновяване на работата, изпълнена под ръководството на Дж. Тернер, но вече на ново синергетично ниво (под друг зрителен ъгъл). Такива изследвания, вероятно ще дадат възможност да уточним терминологията, и да изясним най-накрая има ли „плавучест” във въздуха. Редакторите на превода на работата на А. С. Монин и С. А. Китайгородски са отбелязали, че „разбирането на много особености на вертикалното премесване в устойчиво стратифицирана течност до сега си остава да се желае по-доброто”. Да се случи това може да способства само синергетиката.

Слоестия строеж на атмосферата и хидросферата, както и съществуването в тях на динамични структури и приливните движения трябва да пораждат особени вълни в хоризонталните прослойки, които се предават от една към друга и се наслагват една на друга, могат да доведат до пулсации и солитонни вълни в цялата течно-газова сфера. Тези вълни и пулсации могат да представляват определен интерес за хидрометеорологията.

В общия случай атмосферата и океана се явяват сложни уникални системи, в които определяща роля играят процесите на само организация на частиците и силната обратна връзка, водещи до възникване в тях на съвършено нови стационарни и подвижни структури (слоеве, прослойки, и динамични вихри). Тяхното описание с традиционните позиции на линейната хидромеханика като цяло се оказва невъзможно. Законите на класическата хидродинамика са приложими само за описание на явленията, протичащи в областта на хаоса. Напълно е вероятно, че в такива сложни системи дезорганизацията и хаоса се проявяват тогава, когато е необходимо и възможно намирането на някаква част от системата в продължително състояние на очакване на бъдещи промени. С други думи, хаос – това е най-енергетично икономичното състояние на голяма маса частици.

В заключение е необходимо да се отбележат още няколко обстоятелства. Първо, по разчети на метеоролози, енергията, необходима за възникване на такава структура като циклон е сравнима с енергията на една или няколко атомни бомби, хвърлени в Хирушима. Но нито един от изпитателните взривове на такова устройства (включително сто мегатонно устройство в Русия) не е довел към зараждане на някакъв циклон или вихър.

В същото време синергетичните изследвания показват, че в Природата при възникване или угасване на само организирана структура е важно не количеството внесена в системата енергия, а нейната топология, тоест мястото на прилагане.

Съдейки по всичко, нашите днешни разбирания за ключовите атмосферни процеси не са се придвижили по сравнение с вече приведените характеристики от А. С. Монин и С. А. Котайгородски.

Второ, необходимо е ясно да си представим, че приемането на новия „слоест” модел може да изисква преглед на много от нашите методики, замяна на приборния парк, детайлен анализ на измервани от нас параметри на средата и т.п. Относно параметрите би ни се искало на първо място да поставим температурата и атмосферното налягане. Както е подчертал заместник директора на Международно бюро по мерки и теглилки Тери Куйн, „Даже днес само малко от тези които използват термометри, интуитивно разбират, какво именно те измерват”. Да помислим, това мнение на Куйн се основава на това, че понятието температура е „приложимо само към тела (системи), намиращи се в състояние на термодинамично равновесие, тоест в състояния, ограничени от определени условия”. В Природата такива състояния се срещат крайно рядко. „Самият живот, като много сложен физикохимичен процес е възможен само при отсъствие на термодинамично равновесие. Строгото термодинамично равновесие е равно на смърт.”

За хидрометеорологията преходът на позициите на синергетиката ще означава, продължителен процес за инвентаризация на стария багаж от знания за средата на атмосферата и океана (за въздуха и водата) и задълбоченото изучаване на вече известни явления с цел определяне, защото те имат място и какъв е механизма за тяхното възникване. Може да се предположи, че това ще донесе определена полза и за самата синергетика, на първо място, в по нататъшната класификация и конкретизация на процесите по концептуални признаци.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар