16 Глава 1 а температура верхней поверхности равна Т, а в единицу времени от нижней поверхности к верхней поступает поток тепла 4. В этом случае полный поток энтропии через граничную поверхность сис- темы равен: сі.З'е/сі[ = 4 (1/Т1 - |/Т,) = Ч(ТЗ — Т\)! Т, Т2<0. Таким образом, система экспортирует энтропию. Число Рэлея, характеризующее меру отклонения от положения равновесия, равно: Ва = даВА“/кр, где в — ускорение свободного падения, й — толщина слоя, В — градиент температуры, @ — коэффициент объемного расширения, к — коэффициент теплопроводности, и — коэффициент кинема- тической вязкости. Число Нуссельта Ма, характеризующее меру отклонения от линейного режима, равно отношению полного те- плового потока и части теплового потока, обусловленного тепло- проводностью. На зависимости Ма от Ка существует несколько изломов. При соответствующих критических значениях Ка про- исходит перестройка характера конвективных движений, изменя- ется скорость производства энтропии. В реальных условиях протекание явления Бенара много слож- нее. Значительную роль играют зависимость поверхностного на- тяжения от температуры и неустойчивость Марангони. Применительно к системе вода-атмофера можно привести сле- дующие примеры: микроконвективные ячейки Марангони, воз- никающие в миллиметровом поверхностном слое воды; крупно- масштабные структуры, такие как облачные системы, ураганы и тайфуны, возникающие на границе раздела двух неравновесных сред; циркуляционные структуры Ленгмюра и термобар. Процес- сы формирования и эволюции неравновесных диссипативных систем до настоящего времени остаются мало изученными. На- ходясь в термически неравновесном состоянии, океан и атмосфе- ра обмениваются энергией и массой. И в атмосфере, и в океане при этом формируются условия, приводящие к возникновению крупномасштабных движений воздушных и водных масс, кото- рые и составляют общую циркуляцию атмосферы и океана. Циркуляции Ленгмюра, повсеместно наблюдаемые в широком диапазоне гидрометеорологических условий на поверхности мо- ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ ОЗЕР 17 рей и озер, также являются примером диссипативных структур. Возникновение циркуляций Ленгмюра обеспечивает более ин- тенсивное вертикальное перераспределение тепла и импульса в приповерхностном слое водоема. Циркуляции Ленгмюра обеспе- чивают интенсивное вертикальное перераспределение тепла и импульса в верхнем приповерхностном слое (см. подробнее раз- дел 4.7, том Енастоящей книги). Циркуляции Ленгмюра, которые иногда называют также вих- рями Ленгмюра, представляют собой разнонаправленные коге- рентные вихревые структуры с горизонтальными осями, парал- лельными направлению приводного ветра. Циркуляции Ленгмю- ра создают особый гидрофизический, гидрохимический и гидро- биологический режимы в верхних слоях океанов, морей, озер и водохранилищ (Рянжин, 1999 см. кн. Копйгауем, ЕПаЮюу, 1999; Показеев, Филатов, 2002). Другим явлением, которое можно трактовать, как проявление диссипативных структур является термический бар (Тержевик, 1995; Науменко, 1996; Показеев, Филатов, 2002). Термобар или фронтальный раздел разделяет водоем на две части. Формирование термобара в пресных водоемах связано с аномальным состоянием пресных вод — максимальной плотно- стью вод при температуре 3,98 °С. Термобар может формиро- ваться в весенний и осенний периоды. В период весеннего прогрева (или осеннего охлаждения) в пре- сноводных озерах зоны умеренного климата формируется фрон- тальный раздел. Природа термобара в весенний период связана с конвекцией при достижении на мелководье температуры воды наиболыней плотности. В этой зоне более теплые, но плотные воды опускаются до дна, формируя фронтальный раздел (термо- бар), в котором наблюдается нисходящее течение, сосредоточен- ное в относительно узкой полосе. При этом горизонтальный 0б- мен между этими областями отсутствует. Температурный фронт формируется вблизи берега и, располагаясь, как правило, парал- лельно ему, постепенно продвигается к центру озера. Время су- ществования термобара может быть от нескольких суток до двух- трех месяцев. В весенний и осенний периоды термобар оказывает большое влияние на перераспределение тепла, перемешивание воднЫх масс и другие термогидродинамические процессы в водо- емах. Ограничивая горизонтальное перемешивание вод, весенний термобар влияет на накопление биогенных элементов и различ-