Б.В.БУЛЮБАШ,
г. Н. Новгород

Порядок и хаос в заливе Монтерей

В середине XIX в. в естественных науках предметом обсуждения впервые стали понятия, до того времени относившиеся исключительно к сфере гуманитарного знания. Согласно закону возрастания энтропии, сформулированному в работах немца Рудольфа Клаузиуса и англичанина Уильяма Томсона (лорда Кельвина), энтропия – количественная мера беспорядка в системе – в случае замкнутой системы не могла уменьшаться. С течением времени она могла только возрастать или в крайнем случае оставаться постоянной. Иначе говоря, «порядку» суждено было почти всегда превращаться в «хаос», и при этом «порядок» как некая позитивная категория противопоставлялся «хаосу», традиционно воспринимаемому как нечто негативное…

Несколько десятилетий назад к противопоставлению порядка и хаоса стали относиться иначе, воспринимая его как существенное упрощение реальных физических процессов. Эти весьма важные изменения в естественнонаучной картине мира были в яркой форме описаны лауреатом Нобелевской премии по химии Ильёй Пригожиным и журналисткой Изабеллой Стенгерс в их интеллектуальном бестселлере «Порядок из хаоса». В частности, численные эксперименты (ставшие возможными после появления мощных компьютеров) убедительно демонстрировали, что хаотичность присутствует даже в тех системах, которые традиционно рассматривались как эталон предсказуемости. В свою очередь, в хаотических процессах удалось найти признаки упорядоченного поведения, как, например, в сложном движении жидкостей и газов. Так, специалистам по гидродинамике жидкости хорошо известны «когерентные структуры» – пространственные области относительной упорядоченности в турбулентных потоках жидкости или газа. Понятие «когерентной структуры» достаточно быстро стало использоваться и за пределами гидродинамики. Вот как, к примеру, описывает процесс мышления нейробиолог Джузеппе Кальоти в книге «Динамика неоднозначности»: «Неупорядоченные в начале сенсорные стимулы начинают коррелировать и организуются в мозге в упорядоченные когерентные структуры, которые затем и превращаются в мысль».

Хорошей иллюстрацией понятия когерентной структуры могут служить колечки дыма, умело выпускаемые опытным курильщиком. Отметим, что поведение вихревых колец в жидкости и газе исследовали еще в XIX в. Герман Гельмгольц и лорд Кельвин. А совсем недавно, чуть более двух десятилетий назад, в российском научно-производственном объединении «Тайфун» был построен специальный генератор, позволявший формировать турбулентные вихревые кольца (ТВК). С помощью таких колец была выполнена серия экспериментов по моделированию атмосферных неоднородностей. В настоящее время эксперты считают турбулентные вихревые кольца одним из эффективных механизмов влияния на процессы, протекающие в атмосфере.

Подъём турбулентного вихревого кольца в атмосфере

Однако такие кольца представляют собой пример только одного из двух видов когерентных структур. Дымовые кольца являются притягивающими когерентными структурами, им соответствуют те области пространства, в которых находится большая часть дымовых частиц. Для другого типа когерентных структур, именуемых отталкивающими, такое удачное визуальное представление подыскать уже невозможно. Отталкивающие когерентные структуры – это, условно говоря, те области пространства, относительно которых молекулы жидкости или газа стремятся удалиться как можно дальше. В некоторых практических ситуациях выяснение конфигурации таких структур оказывается весьма важным.

Увидеть отталкивающие когерентные структуры всё же можно – на экране монитора в ходе численного эксперимента. Основой такого эксперимента является обычно компьютерная модель, корректируемая в соответствии с реально протекающими физическими процессами. Именно такую модель разработали учёные из США Джордж Галлер и Гарри Суинни. Они изготовили специальный сосуд цилиндрической формы полуметровой высоты с отверстиями в днище. Через отверстия сосуд можно было наполнять водой, через них же воду можно было сливать. В наполненный водой сосуд Галлер и Суинни поместили большое количество полистироловых флюоресцирующих шариков размером не больше песчинки. Затем установку привели во вращение и, используя лазер, в деталях исследовали характер движения светящихся в луче лазера шариков, а вместе с ними и структуру возникших в жидкости течений. Информация о движении реальных частиц в реальном потоке жидкости дала возможность существенно скорректировать компьютерную модель движений жидкости в сосуде и соответственно с большой точностью визуализировать на экране монитора как притягивающие, так и отталкивающие когерентные структуры. Переплетающиеся друг с другом линии самим фактом своего существования опровергали представление о непредсказуемости турбулентных течений жидкости.

Исследования Галлера и Суинни преследовали вполне определённую цель: разработать методику выявления когерентных структур в реальном природном объекте – калифорнийском заливе Монтерей. В этом заливе, одном из красивейших мест побережья Калифорнии, из-за расположенной на берегу фабрики сложилась не вполне благополучная экологическая ситуация. Сбросы горячей воды в ходе производственного цикла накапливались в акватории, что создавало угрозу населяющим Монтерей морским формам жизни.

Городок Монтерей на берегу одноимённого залива  и местный океанарий

Эксперименты по выявлению когерентных структур в водах залива показали, что благополучие населяющих залив морских обитателей зависит в итоге от того, как будут ориентированы относительно берегов притягивающие и отталкивающие когерентные структуры. В одних случаях их расположение не будет мешать течению воды из залива в океан, в других – будет. С помощью мощного компьютера была построена виртуальная картина течений воды в заливе и определено примерное расположение когерентных структур. При этом расположенные на берегах залива четыре радарные установки позволяли получать информацию о скорости течения воды в разных местах практически в режиме реального времени. Эта информация была использована для внесения исправлений в компьютерную модель.

Радары разместили на берегах залива в 2003 г., тогда и стартовали исследования учёных из Принстонского университета под совместным руководством Дж.Галлера и присоединившегося к нему Франсуа Лекьена. На первом этапе удалось выяснить, что район сброса горячей воды в открытое море регулярно перекрывается отталкивающей когерентной структурой, ухудшая его экологию. Используя информацию от радаров, удалось уточнить, что «перекрывание» происходит приблизительно раз в четыре дня. Основываясь на этих предварительных результатах, Лекьен и Галлер выработали предварительные рекомендации по защите экосистемы залива, предложив перейти к импульсному режиму сброса отходов, когда сообщение с открытым морем не затруднено.

Лидар

Летом 2006 г. когерентные структуры залива Монтерей вновь стали объектом масштабного исследования. Океонограф Стивен Рамп и инженер Наоми Леонард поставили задачу получить более детальную информацию о том, как движутся частицы воды в разных участках залива. Было принято решение использовать для этого роботов, после чего в августе 2007 г. в акватории появились автоматические торпедообразные устройства. Точность измерений и расчётов на этом этапе, судя по всему, оказалась вполне достаточной для организации контроля за экосистемой залива. Результаты позволяли дать рекомендации по снижению максимальных концентраций сбросов как минимум в два раза.

Природоохранные ведомства ещё обсуждают их, а военные уже приняли решение начать финансирование поиска когерентных структур в атмосфере. Так, ВВС США поддержали проект Дж.Галлера, обещающего решить весьма важную для авиации проблему: стоит ли размещать на борту самолётов лидары – лазерные дальномеры (LIDAR – Light Detection and Ranging). Лазер в лидаре используется в качестве импульсного источника направленного светового излучения, причём в диапазоне видимого света локационный сигнал лидара отражается молекулярными и аэрозольными составляющими атмосферы. Работая в этом диапазоне, лидары (в отличие от радаров) фиксируют неоднородности в атмосфере, в частности, турбулентности чистого неба, которые обычный радар зафиксировать не может. Проект Галлера предполагает разработку методики определения зон турбулентности исключительно по конфигурации когерентных структур в атмосфере. В случае успеха проекта можно будет обходиться без лидаров.

Междисциплинарный образ когерентной структуры, судя по всему, будет востребован и в медицине. Нетрудно догадаться, что речь идёт об описании сложных процессов протекания крови по венам и артериям. Понятие когерентной структуры оказывается весьма эффективным при изучении того, как именно поток крови движется в области разветвления каротидной артерии: направляется в область мозга по одной из ветвей либо в область лица и шеи – по другой. Соответствующий исследовательский проект, реализуемый совместными усилиями математика (Шон Шадден) и кардиолога (Чарльз Тэйлор), осуществляется в Стэнфордском университете (всё в той же Калифорнии). По мнению Шаддена и Тэйлора, по расположению когерентных структур в потоке крови можно выявить зоны её застоя, способствующие образованию атеросклеротических бляшек. Ранее большинство кардиологов придерживалось точки зрения, согласно которой застойные области в каротидной артерии разрушаются при пульсациях кровяного потока. Шаддену и Тэйлору удалось показать, что ситуация не столь однозначна, что когерентные структуры в каротидной артерии могут быть весьма устойчивы, а их конфигурация оставаться практически неизменной. «Порядок» когерентной структуры, привычно противопоставляемый «хаосу» турбулентных течений, становится в этом случае угрожающим жизни человека фактором. А любимая философами тема порядка и хаоса приобретает новое, жизненно важное измерение.