12 Глава 1 Макроскопические структуры формируются при усилении микро- скопических флуктуаций. Термодинамические неустойчивости иг- рали важную роль на ранних этапах эволюции Земли. Развитие не- устойчивости обуславливается тем, что пространственно структури- рованная конфигурация энергетически более выгодна, чём однород- ное распределение. Система является неустойчивой, если она обла- дает возможностью к оптимизации термодинамического состояния, например путем разделения на фазы. Развитие неустойчивости и формирование структур часто наблюдается в гидродинамических системах, которые получают энергию от внешних источников и на- ходятся вдали от состояния равновесия. Хорошо известными при- мерами таких гидродинамических систем являются, например, те- чения, возникающие между вращающимися цилиндрами или струк- тура течений, возникающих при обтекании цилиндра потоком жид- кости. В последнем случае, в зависимости от числа Рейнольдса (Ве = ау/и, где а — диаметр цилиндра, у — скорость, и — кинемати- ческий коэффициент вязкости) структура течения меняется от ста- ционарного, осесимметричного, безотрывного к стационарному не- осесимметричному, далее нестационарному, периодическому и, на- конец, к турбулентному. Для нелинейных динамических систем характерно наличие критических управляющих параметров процесса, при превыше- нии которых поведение системы резко изменяется. Например, в случае конвекции от тепловых источников управляющим пара- метром является мощность нагревателя. Для точечного источника тепла при докритических значениях подводимой мощносТИ Во- круг нагревателя образуется слой прогретой жидкости с незначи- тельными градиентами температуры и плотности (Чашечкин, 1999). ФЭта область — излучает — линейную — диссипативно- гравитационную волну. При увеличении мощности теплового из- лучения растет скорость индуцированного течения. При превы- шении критического значения мощности происходит резкое из- менение структуры конвективного течения — над нагревателем формируется всплывающая струя, вокруг которой возникает ку- пол погружающейся жидкости. Число конвективных слоев или ячеек, образующихся при формировании конвективного движе- ния от точечного источника, зависит от подводимой мощности. Реализуется набор критических значений мощности, при превы- шении которых число конвективных ячеек увеличивается на еди- ницу. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ ОЗЕР 13 При достижении определенных критических значений внешних параметров система может переходить в качественно новое состоя- ние. Это новое состояние характеризуется более высоким уровнем самоорганизации, возникновением в системе макроскопических структур, которые называются диссипативными структурами. Пере- ход системы в новое состояние происходит скачком при некоторых критических значениях параметров. Принципиально важно, что сис- тема меняет свое состояние вероятностным образом. Диаграмма за- висимости скорости производства энтропии от термодинамической силы состоит из двух областей (см. рис. 1.1). В первой области, где скорость производства энтропии обеспе- чивается хаотическим поведением частиц, составляющих систе- му, поведение термодинамической системы описывается линей- ной термодинамикой. Во второй области, в которой существуют диссипативные структуры, и производство энтропии обеспечива- ется макроскопическими процессами, поведение системы уже описывается нелинейной термодинамикой. Такой переход от од- ного режима производства энтропии к другому имеет место, на- пример, при смене ламинарного движения на турбулентное или при образовании конвективных ячеек Бенара в жидкости в случае увеличения градиента температуры. @‘%_)ЪА\ Хк Х Рис. 1.1. Универсальная диаграмма эволюции системы. 1 — область тер- модинамических сил, при которых производство энтропии обеспечивается хаотическим — поведением — элементов системы; П — область существования диссипативных структур, где произ- водство энтропии обеспечивается мак- роскопическими процессами