Что такое ячейки бенара
Биологическая память меда
Мед – уникальный продукт, который издавна применяется в народной медицине для лечения заболеваний. Про пчелиный нектар сложено много легенд и одна из них гласит: натуральный мед обладает памятью. Рассмотрим, правда это или миф, а также узнаем, как самим проверить эту теорию.
Существует ли генетическая память меда
Мед известен человеку несколько тысячелетий и за это время он оброс, как старое дерево мхом, многочисленными мифами. Мед упоминается в античных летописях, Библии и Коране, а сегодня самые интересные истории о пчелином нектаре можно услышать разве что от продавцов на медовых ярмарках.
Одна из таких легенд гласит, что существует генетическая память меда. В качестве доказательства гипотезы, ее приверженцы часто демонстрируют эксперимент с водой, с помощью которого якобы можно отличить натуральный мед от фальсификата. Но насколько этот эксперимент корректный и не пытаются ли пчеловоды нас обмануть? Давайте разбираться.
Если опираться на научную терминологию, то генетическая память – это совокупность наследственных реакций, передаваемых через поколения посредством генов. Иногда ее также называют наследственной или биологической памятью. Термин используется в психологии и нейробиологии по отношению к живым существам. Например, у человека генетическая память проявляется в виде инстинктов, рефлексов и пр.
Современные ученые доказали, что носителем такой памяти являются РНК – рибонуклеиновые кислоты, а хранится и накапливается вся информация в генах. Более того, памятью могут быть наделены субъекты, наделенные сознанием — например, памятью предков могут быть наделены младенцы.
Суммируя всю информацию, можно с уверенностью сказать, что биологическая память меда – это миф. Так данный продукт не содержит ДНК и РНК, а также не наделен сознанием. Однако, несмотря на все доказательства современной науки, существуют скептики, которые убеждены, что память у меда существует.
Как проверялось, что у меда есть память
На крупных пасеках или медовых ярмарках можно встретить продавцов, которые доказывают натуральность своего продукта при помощи эксперимента с водой. Суть метода заключается в том, что на дно глубокой миски кладут небольшое количество меда, заливают его холодной водой и вращают емкость несколько секунд. В результате на дне тарелки образуется бледно-желтое пятно и рисунок сот, напоминающий соты из улья.
Таким образом продавцы пытаются доказать, что их мед живой, натуральный и не содержит никаких примесей. А образующиеся шестигранники в виде сот – это и есть биологическая память продукта и если бы в меде содержались примеси, такого эффекта добиться было бы невозможно.
Подобные эксперименты оказывают сильное впечатление на людей, особенно на тех, кто приезжает на пасеку на экскурсию или не разбираются в качестве продукта. Однако, реальность такова, что этот эксперимент просто маркетинговый ход, нацеленный на увеличение продаж. Как принято сегодня говорить – это обыкновенный развод покупателей и биология меда здесь ни причем, скорее нужно обращаться к физике.
Ячейки Бенара
Первым из ученых образование ячеек наблюдал французский физик Анри Бенар еще в 1900 году. А почему образуются именно шестигранные фигуры практический правильной формы, объяснил уже английский ученый Лорд Релей в 1916 г. Эффект получил название Ячейки Бенара или Релея – Бенара.
Ячейки Бенара – это появление упорядоченности в виде конвективных ячеек с правильной шестигранной формы в слое вязкой жидкости с вертикальной разностью температур, т.е. когда жидкость подогревают снизу. С помощью этого эффекта можно объяснить происхождение таких памятников природы как Девилс-Тауэр в США, который еще называют Башня дьявола, или Мостовая гигантов, находящаяся в Северной Ирландии.
В чем причина явления
Объяснить это физическое явление можно следующим образом. Когда нагревается нижний слой жидкости, тепло переносится от теплого дна вверх к более холодному воздуху за счет двух механизмов:
В процессе конвекции более горячая жидкость, благодаря изменению температуры и плотности, начинает двигаться вверх, а остывая — опускаться вниз. Этот механизм хорошо известен человеку и используется, например, в системах отопления.
Когда Бенар ставил свои эксперименты, он понимал, что процесс образования фигур – это результат конвекции, но он не смог дать этому научное обоснование. Но уже в 1916 году английский ученый Лорд Релей предположил, что конвекция может происходить не только из-за разницы температур, но и из-за разницы поверхностного натяжения веществ и даже построил целую математическую модель этого явления.
В случае эксперимента с медом, чтобы не вдаваться в математические уравнения, происходит все следующим образом. Когда пчелиный нектар заливают водой, он начинается растекаться, т.е. меняется поверхностное натяжение его верхнего слоя. Плюс разная температура воды – на дне вода будет теплее, чем на поверхности, т.к. при испарении вода забирает часть тепла.
В результате и запускается процесс конвекции, заставляющий нижние слои меда подниматься вверх, а верхние слои — опускаться вниз. Это и приводит к образованию шестигранников, так как это одна из самых правильных фигур в природе, у которой все стороны и углы равны.
Как самому проверить теорию
Проверить эту гипотезу можно и в домашних условиях, проведя простой эксперимент. Для этого следует взять:
Поместите на дно тарелки небольшое количество сиропа или меда – 1 ст. л. Аккуратно залейте холодную воду – 50 мл. Несколько секунд вращайте емкость в любом направлении и вы увидите характерный сетчатый рисунок.
Для наглядности можно использовать другой способ. Для этого в миску следует добавить смесь из силиконового масла ПМС-10 и алюминиевой пудры и поставить тару на водяную баню. В этом случае можно увидеть весь процесс движения частиц. Этот способ часто используют в школах.
Чем больше будет смеси в миске, тем крупнее в диаметре будут получаться ячейки.
Подводя итог всему сказанному, можно сделать следующие выводы. Первое – проверить натуральность меда с помощью этого эксперимента невозможно, так как такого же эффекта можно добиться с другими густыми жидкостями. Второе – образование сот – это не биологическая или генетическая память пчелиного продукта, а простая физика.
Ячейки бенара
Ячейки Бенара или Рэлея — Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.
В качестве жидкости используется, как правило, силиконовое масло.
Ячейки Рэлея — Бенара являются одним из трёх стандартных примеров самоорганизации, наряду с лазером и реакцией Белоусова — Жаботинского.
Управляющим параметром самоорганизации служит градиент температуры. Вследствие подогрева в первоначально однородном слое жидкости начинается диффузия. При преодолении некоторого критического значения градиента, диффузия не успевает привести к однородному распределению температуры по объёму. Возникают цилиндрические валы, вращающиеся навстречу друг другу (как сцепленные шестеренки). При определенных граничных условиях и вязкости жидкости образуются ячейки правильной гексагональной формы, внутри которых жидкость поднимается по центру и опускается по граням ячейки. При увеличении градиента температуры возникает второй критический переход. Для ускорения диффузии каждый вал распадается на два вала меньшего размера. При дальнейшем увеличении управляющего параметра валы дробятся и в пределе возникает турбулентный хаос, что отчетливо видно на бифуркационной диаграмме или дереве Фейгенбаума.
См. также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Ячейки бенара» в других словарях:
Ячейки Бенара — Механика сплошных сред … Википедия
Ячейки Рэлея-Бенара — Ячейки Бенара в гравитационном поле. Ячейки Бенара или Рэлея Бенара возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом… … Википедия
Ячейка Бенара — Ячейки Бенара в гравитационном поле. Ячейки Бенара или Рэлея Бенара возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом… … Википедия
самоорганизация — Термин самоорганизация Термин на английском self organization Синонимы самосборка Аббревиатуры Связанные термины биомиметические наноматериалы, капсид Определение самопроизвольное образование упорядоченных пространственных или временных структур… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Тороидальный вихрь — Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии … Википедия
САМООРГАНИЗАЦИЯ — самопроизвольное (не требующее внеш. организующих воздействий) образование упорядоченных пространственных или временных структур в сильно неравновесных открытых системах (физ., хим., биол. и др.). Непрерывные потоки энергии или в ва, поступающие… … Химическая энциклопедия
Аттрактор Лоренца — решение системы при r=0,3 … Википедия
ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ — устойчивые пространственно неоднородные структуры, возникающие в результате развития неустойчиво стей в однородной неравновесной диссипативной среде. Термин предложен И. Пригожиным. Примеры Д. с. ячейки Бенара (чередование восходящих и нисходящих … Естествознание. Энциклопедический словарь
Конвекция — Течение жидкостей и газа Ползучее течение Ламинарное течение Потенциальное течение Отрыв течения Вихрь Неустойчиво … Википедия
Диссипативная система — (или диссипативная структура, от лат. dissipatio «рассеиваю, разрушаю») это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде… … Википедия
Генетическая память меда: миф или реальность, как проверить
Генетическая память меда один из показателей качества нектара, вокруг которого постоянно ходят споры. Поэтому до сих пор нет единого мнения о том, насколько этот способ достоверен. Аргументы приводятся и от сторонников, и от противников метода. Насколько представленное явление правдиво?
Генетическая память меда – что это?
Генетическая, или биологическая, память пчелиного продукта – явление, суть которого заключается в формировании ячеистых сот при добавлении воды к меду. Возвращение к первоначальному виду характерно только для цветочных нектаров высокого качества, по мнению пчеловодов. Этот показатель говорит о том, что только натуральный продукт способен воспроизвести данные, которые были получены на пасеке. Однако не ясно, миф это или реальность.
Сторонники существования биологической памяти предлагают 2 способа как проверить качество и натуральность нектара:
Менее популярный способ – поместить на дно миски малое количество меда, добавить воду 1:1, не размешивать, поставить на медленный огонь. После нагревания нижние слои станут подниматься, и наоборот. Поверхность, в итоге, покрывается шестигранниками, но это не кристаллическая решетка.
Ячейки Бенара
Образующийся медовый рисунок в воде называют ячейками Бенара. Это распространенное физическое явление, когда при равномерном подогреве снизу вязкая субстанция формирует правильные шестиугольные фигуры. Цветочный нектар причисляют к подобным жидкостям. Основоположник явления – Генри Клод Бенар, ученый из Франции, живший в XX веке.
Этот эффект действует не только в отношении пчелиного продукта, но и, к примеру, на растительном масле, бензине. Поэтому ряд людей и ставят метод под сомнение. Все больше приходят к тому, что пасечники стараются обмануть таким способом покупателей для увеличения продаж с собственного хозяйства.
Аргумент, против которого трудно что-то возразить – если давать пчелам сахарный сироп, то полученный продукт все равно образует в воде те же самые фигуры. Насекомые перерабатывают сладкую жидкость, запечатывают в соты. Мед при этом выглядит как настоящий, и формирует ячейки Бенара. Поэтому биологическую память не относят к достоверным методам выявления качества или натуральности медовой продукции.
В чем причина образования рисунка сот на поверхности меда – почему так происходит
Важно помнить, что рисунок сот образуется не из-за наличия какой-либо биологической или генетической памяти. Теория вызывает только недоумение у большинства ученых, так как явление уже давно изучено. Ячейки Бенара все же затрагивают каждую вязкую жидкость.
Биологическая память – способ определения натуральности, который еще полностью не подтвержден. Пчеловоды настаивают на достоверности, при этом ученые однозначно утверждают, что явление применяется в отношении каждой вязкой жидкости. Реальность или миф генетическая память меда? Этот вопрос до сих пор остается открытым. Каждый решает самостоятельно, какой метод определения качества выбрать.
Генетическая память мёда (Проверка. Исследование ячейки Бенара)
Мед — целебный продукт, который помогает бороться со многими заболевания, но только при условии, что он натуральный. Среди сторонников меда бытует мнение, что один из показателей качества нектара является его генетическая память. Так действительно ли мед наделен генетической памятью или это просто легенда для привлечения клиентов.
Генетическая память меда – правда или вымысел
Суть эксперимента на проверку генетической памяти заключается в том, что мед разбалтывают водой и на поверхности образуются ячейки, которые напоминают пчелиные соты. Такая проверка водой и стало поводом для мнения, что мед «запоминает», как он находился в улье.
С научной точки зрения носителями генетической памяти являются РНК и ДНК, именно они отвечают за хранение, кодировку, прочтения и передачу генов. Особенно такое биологическое явление активно проявляется при подавленном психологическом состоянии, например, у младенцев.
Также у человека генетическая память проявляется в виде инстинктов, рефлексов и других генетических программ. И так как у меда нет сознания, нет никаких инстинктов, а значит и никаких генов памяти в нем не может быть. Тогда все же остается главной вопрос – откуда появляется узор.
Проверка меда на генетическую память — в чем смысл
Многие пчеловоды утверждают, что только проверка водой позволит отличить натуральный мед от поделки. В воде пчелиный продукт принимает особенную форму, а именно ту, в которой мед находился до его распечатывания и изъятия из ячеек сот.
Так зачем вообще подделывать мед и устраивать такие проверки? Все дело в том, что пчелам для выработки меда нужна пыльца и нектар медоносов. И для того, чтобы получить 1 кг пчелиного продукта потребуется 1,5 мл капелек нектара, собранные с десятки миллионов медоносных растений. Поэтому пасечникам намного выгоднее кормить своих пчел сахаром. Мед также будет созревать в ульях, но такой продукт уже нельзя назвать натуральным, ведь он лишен душистого аромата и тех целительных свойств, которыми и славится мед.
Сахарный мед, как и натуральный, в воде также принимает необычную форму. И чтобы понять, откуда появляется такой узор, достаточно узнать, что такое феномен ячеек Бенара.
Что такое ячейки Бенара
Рисунок, который образует мед в воде, называют ячейками Бенара. Это физическое явление обнаружил французский физик, не имеющий никакого отношения к пчеловодству.
Исследовать провел опыт и доказал, что вязкая субстанция при равномерном подогреве формирует точные шестиугольные фигуры. Это происходит за счет того, что холодные слои опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх и тем сам формируют орнамент, напоминающие ячейки пчелиных сот.
К тому же такие соты образует в воде не только мед, но и растительное масло, бензин и любое другое текучее вязкое вещество. Поэтому если давать пчелам обычный сахарный сироп, то они, как и цветочный нектар, будут перерабатывать его в мед и запечатывать в соты. По внешнему виду сахарный мед трудно отличить от натурального, а при взбалтывании его водой он также будет формировать ячейки Бенара.
Еще одна легенда, о которой говорят пасечники – это кристаллическая решетка на меде. И здесь достаточно вспомнить, что вещество может быть жидким, твердым и газообразным. При этом характеристики свойственные одному веществу не могут преобладать у веществ в других состояниях. И кристаллическая решетка может быть только у твердого вещества, а значит, у меда ее нет.
Правда есть исключения и это засахарившийся мед. Под воздействием внешних факторов или из-за сорта мед может изменить свое состояние. Такой процесс называется кристаллизация, когда в составе меда много глюкозы, которая и оседает на дно. Очень быстро кристаллизируется гречишный мед, а вот акациевый или клеверный загустевают медленно, поэтому такие сорта пчелиного продукта считаются жидкими.
Подводя итоги, стоит сказать, что никакой генетической памятью мед не обладает, все это хитрые уловки недобросовестных продавцов. Поэтому пчелиный продукт лучше покупать у проверенных пасечников, при покупке обращать внимание на цвет, вкус и консистенцию. При этом чистый мед в холодной воде не должно мгновенно раствориться, а некоторое время находится в ней без изменений.
Столбчатые базальты и конвекция Рэлея — Бенара
Обзорная фотография столбчатых базальтов на северном побережье Ирландии. Лестница гигантов и деталь ее обзорной фотографии
В самых разных уголках нашей планеты встречаются удивительно красивые геологические образования — вертикально стоящие базальтовые столбы в форме плотно прилегающих друг к другу правильных призм, чаще всего шестигранных. Все они в пределах одного базальтового массива имеют одинаковую толщину, обычно от нескольких десятков сантиметров до 2 м, но в разных местонахождениях разную. Наиболее известные столбчатые базальты находятся на севере Ирландии. Это так называемая Тропа гигантов, или Лестница гигантов, — структура, которая образовалась из излившейся лавы в рифтовой зоне при раскрытии Атлантического океана и отделении Ирландии от Британских о-вов, прежде составлявших единое целое. Похожие образования есть и во многих других местах на Земле, например в Исландии, в ущелье Гарни в Армении, на вулканическом острове вблизи побережья Шотландии (знаменитая пещера Фингала), в Неваде и наконец в России (мыс Столбчатый на о. Кунашир).
Рождение формы: пробелы в понимании
Геологов давно занимала загадка происхождения таких правильных форм, но удовлетворительной теории их образования до сих пор предложено не было. Высказывались предположения о генетической связи шестигранных базальтовых столбов с шестиугольными ячейками конвекции Рэлея — Бенара. Эта форма конвекции была открыта в начале прошлого столетия французским физиком Анри Бенаром в эксперименте с тонким горизонтальным слоем вязкой жидкости, подогреваемым снизу (английский физик лорд Рэлей провел теоретический анализ явления). При достижении критического значения температурного градиента весь слой разбивался на одинаковые по размеру шестигранные ячейки, в центре которых жидкость поднималась к свободной поверхности, а по их периферии опускалась вниз. Применительно к базальтам в работе Д. Е. Трапезникова и др. [1] выдвинута контракционно-конвективная модель возникновения столбчатой отдельности, согласно которой в слое жидкой излившейся лавы по мере ее остывания создаются условия для конвекции Рэлея — Бенара. Затем при затвердевании и дальнейшем охлаждении слоя объем массива уменьшается и термические напряжения разрывают его на шестигранные столбы по границам бенаровских ячеек.
Однако эту модель также нельзя признать состоятельной: для наблюдаемой в экспериментах бенаровской конвекции характерны горизонтальные размеры ячеек, примерно равные удвоенной толщине слоя жидкости, тогда как в столбчатых базальтах толщина массива превышает размеры ячеек в десятки раз. Кроме того, неясен механизм связи между конвективными ячейками в базальтовом расплаве и инициацией растрескивания. Если же допустить, что охваченный конвекцией слой намного тоньше излившегося слоя базальта, то непонятно, почему инициированные в нем трещины пронизывают весь массив строго вертикально и столбы до самой подошвы имеют плоские вертикальные грани.
При обзоре чрезвычайно обширной литературы по бенаровской конвекции (см., например, [2]) с удивлением обнаруживаешь, что сама эта теория также полна путаницы и нерешенных проблем. Так, во многих источниках указывается на возможность получения простого точного решения уравнений гидродинамики в приближении Буссинеска (т. е. принимая зависимость плотности от температуры линейной и учитывая изменения плотности только при массовых силах), однако лишь в совершенно абстрактной, физически нереализуемой постановке, когда и верхняя, и нижняя границы являются свободными. Часто упоминается также решение в виде чередующихся цилиндрических валов, вращающихся в противоположных направлениях, однако анализ устойчивости такого решения отсутствует. Но, как справедливо указано в «Гидродинамике» Ландау и Лифшица [3], «осуществляющиеся в природе течения должны не только удовлетворять гидродинамическим уравнениям, но должны еще быть устойчивыми: малые возмущения, раз возникнув, должны затухать со временем». В настоящей статье нас совершенно не интересуют нефизические постановки, нереализуемые граничные или начальные условия, а также нефизические моды потери устойчивости, теоретические мыслимые, но реально не наблюдаемые: и исходные состояния, и способы их модификации должны быть естественными и физически наблюдаемыми.
Невозможно также считать удовлетворительным предложенное И. Пригожиным [4] объяснение геометрии наблюдаемой в экспериментах с тонкими слоями жидкости в прямоугольных кюветах валиковой конвекции трансляцией граничных условий, когда прямолинейная вертикальная стенка как бы распространяется далее по кювете от предыдущего цилиндрического вала к последующему. Ведь валиковая конвекция наблюдается также в чашке Петри или другой круглой посуде, где никаких прямолинейных бортиков нет, причем валы, как правило, подходят к краю кюветы под прямым углом. При этом характерный пространственный период валиковой конвекции может быть в десятки раз меньше диаметра круглой кюветы, так что влиянием боковых границ вдали от них можно смело пренебречь. Валиковая конвекция происходит также в облачном слое атмосферы, порождая часто наблюдаемые протяженные облачные гряды, разделенные равными промежутками (их хорошо видно на фотографии с борта самолета), — а в этом случае никаких твердых границ нет вообще. Наконец, странно было бы для объяснения линейных цилиндрических валов искать одно объяснение, а для шестигранных ячеек Бенара — совсем другое, ни с какими граничными условиями на бортиках не связанное.
Конвективные валы в облачном слое. Вид с самолета
Поэтому попробуем рассмотреть бенаровскую ячеистую конвекцию, исходя непосредственно из соображений устойчивости покоя и устойчивости движения, чтобы понять, какие формы конвекции в этой задаче можно действительно встретить в природе. Начнем с рассмотрения устойчивости тонкого горизонтального слоя вязкой несжимаемой жидкости со свободной верхней границей, с условием прилипания (фиксации) на нижней горизонтальной границе и в приближении отсутствия боковых границ (горизонтальная протяженность слоя настолько больше его толщины, что влиянием боковых границ можно пренебречь). Пусть этот слой покоится, равномерно подогревается снизу, и в нем за счет теплопроводности устанавливается линейный вертикальный градиент температуры и плотности. Теплая, менее плотная жидкость находится ниже более плотной, так что потенциальная неустойчивость налицо. Но сможет ли она реализоваться при любых значениях градиента плотности?
Вихрь из капли
И эксперимент, и теоретический анализ устойчивости позволяют однозначно ответить на этот вопрос отрицательно. Действительно, пусть где-то в объеме жидкости возникла флуктуация плотности / температуры, т. е. некий малый по сравнению с толщиной слоя сферический объем оказался перегретым относительно окружающей его жидкости. (Мы считаем этот объем сферическим, так как уравнение теплопроводности исключает устойчивость иных геометрий возмущений температуры.) Что произойдет с этой теплой каплей дальше? Она начнет всплывать вверх под действием архимедовых сил, подобно аэростату-монгольфьеру. Двигаясь вверх, она попадет в еще более холодный слой жидкости, так что при отсутствии диссипации тепла архимедова сила только увеличится. Но, как мы предположили, жидкость вязкая и теплопроводная, так что всплытию капли будут противодействовать вязкие напряжения, а сама капля начнет остывать и терять плавучесть. И если вертикальный градиент плотности / температуры мал, диссипативные эффекты погасят флуктуацию, она просто рассосется. Итак, существует некое пороговое значение температурного градиента, такое, что малые флуктуации разрастаются, если градиент больше этого значения, и угасают, если он меньше. При этом мы рассматриваем лишь малые флуктуации, порожденные молекулярным хаосом, так как пороговое значение градиента очевидно зависит от масштаба флуктуаций: оно больше для меньших флуктуаций и меньше для больших.
Пороговое значение температурного градиента рассмотрено в [3] и дается формулой
где Т — температура, z — вертикальная координата, g — ускорение силы тяжести, β — температурный коэффициент расширения, с — теплоемкость.
Теперь рассмотрим эволюцию возмущения в случае, когда градиент достаточно велик для разрастания этого возмущения. Силы вязкости жидкости, обтекающей всплывающую каплю, создадут внутри капли нисходящие течения (на ее боковых границах) в системе отсчета, связанной с центром капли, и компенсирующие их восходящие противотечения в ее центре и по оси подъема. Получится тороидальный вихрь.
В результате действия аэродинамических сил капля будет деформироваться: растягиваться в горизонтальной плоскости и сплющиваться по вертикальной оси (по теореме Жуковского аэродинамическая сила ориентирована перпендикулярно направлению движения профиля и пропорциональна циркуляции вектора скорости вокруг профиля). В некоторый момент раскручивающийся тороидальный вихрь создаст гидродинамические силы, достаточные для разрыва сплошности капли, и сплющенная сфера превратится в тор. При этом описанная выше аэродинамическая сила будет продолжать растягивать вращающийся тор по горизонтали и, соответственно, уменьшится малый радиус тора. Окружающая первоначальную каплю жидкость будет силами вязкости вовлечена в оба эти процесса: тороидального вращения относительно кольцевой вихревой линии и вертикального подъема.
Теперь вся эта масса жидкости окажется подверженной действию конвективных сил — подъему по центру и опусканию по периферии возникающей конвективной ячейки. Относительно теплая жидкость будет подсасываться внизу ячейки и подниматься вверх по ее центру, а относительно более холодная опускаться по ее периферии. Архимедовы силы будут способствовать и тому и другому. В тонких слоях рост ячейки будет продолжаться до тех пор, пока ячейка при своем разрастании не коснется дна, где действуют условия прилипания, и некоторое время после этого, пока диссипация энергии вязкими силами у дна не уравновесит ее выигрыш за счет конвекции. На этом дальнейшее разрастание ячейки закончится, и течение внутри ячейки станет стационарным.
Танец в ансамбле
Приведенное рассмотрение, однако, неполно, так как мы пока считали всю окружающую ячейку жидкость покоящейся. Однако на самом деле это не так, и окружающая жидкость также будет вовлекаться в движение вязкими силами. Распространение возмущений приведет к раскрутке рядом с первоначальной ячейкой соседних ячеек, движение жидкости в которых будет согласовано с ее движением в исходной ячейке вследствие условия непрерывности вектора скорости в вязкой жидкости. В принципе возможна (и в некоторых экспериментах действительно наблюдалась) картина течения в виде концентрических кольцевых валов с чередующимся направлением вращения, однако такая конфигурация неустойчива при тех значениях градиента температуры, при которых молекулярных флуктуаций достаточно для инициации конвекции. По-видимому, концентрические конвективные валы можно получить лишь при субкритических для бенаровской конвекции значениях градиента, инициировав конвекцию искусственным созданием сверхкритического возмущения в центре круглой кюветы.
В более реалистичном случае при достижении порогового для ячеистой конвекции значения градиента возникнет множество ячеек, причем раскрутка жидкости по соседству с уже раскрученными ячейками будет облегчена уже наличествующим возмущением. Образуются сначала пары соседних ячеек, которые будут способствовать возникновению третьей и четвертой ячеек рядом с первыми двумя, и так фронт конвекции быстро распространится по всему объему горизонтального слоя. Движение жидкости в каждой такой ячейке можно описать как порожденное находящимся в ее центре вихревым кольцом, а упорядоченный ансамбль таких ячеек — как результат «кристаллизации» вихревых колец, притягивающихся друг к другу, если расстояние между ними слишком велико, и отталкивающихся, если оно слишком мало. В результате достигается наиболее устойчивая структура: гексагональная плотнейшая упаковка, как в монослое одинаковых сферических бусинок на плоскости.
Однако мы пока рассмотрели лишь случай тонкого слоя, когда толщина сопоставима с максимальным размером ячейки, при котором силы вязкости начинают препятствовать дальнейшему разрастанию, или же меньше этого размера. Что произойдет, если этот слой существенно толще? В этом случае мы получим многоярусную ячеистую конвекцию, где над нижним слоем ячеек появится следующий слой, раскрученный в противоположном направлении, т. е. с ячейками, в которых опускание происходит по центру, а подъем — по периферии. В принципе вся описанная выше для монослоя конвективных ячеек картина сохраняется с точностью до обращения векторов скорости, если мы рассмотрим не всплытие горячей капли, а опускание холодной, т. е. начальное возмущение противоположного знака.
В тонких слоях такая обратная ориентация ячеек обычно не наблюдается, так как распределение температуры на дне, создаваемое подобной схемой, термодинамически неустойчиво: оно состоит из холодных точек на горячем фоне. Уравнение теплопроводности требует обратной картины неоднородностей температуры, т. е. горячих точек на холодном фоне. Ведь пара расположенных рядом восходящих потоков — неустойчивое образование, эти потоки конкурируют друг с другом, стремясь расширить свою область питания. Более сильный поток при этом поглощает более слабый, отбирая у него область питания. В гипотетической картине с монослоем бенаровских ячеек обратной ориентации, т. е. с подъемом по периферии, наиболее горячими точками будут стыки трех соседних ячеек. Эти потоки в углах ячеек перетянут на себя восходящие потоки на их границах и станут центрами ячеек с нормальной ориентацией, т. е. произойдет фазовый переход к дуальной гексагональной решетке. Однако в случае многоярусной конвекции, где по вертикали чередуются слои ячеек с опусканием по центру и подъемом по периферии и слои ячеек с противоположным направлением вращения кольцевых вихрей, указанная конфигурация является единственно кинематически возможной и потому устойчивой.
Что же случится, если слой жидкости, напротив, окажется слишком тонким, т. е. тоньше минимального вертикального размера шестигранной бенаровской ячейки, при котором (при заданных значениях теплового потока) диссипация энергии движения силами вязкого трения и теплопроводности еще компенсируется подкачкой энергии силами плавучести? В этом случае ячейка не сможет расти сразу во всех направлениях, но сможет удлиняться, образуя пару конвективных валов с противоположными направлениями вращения, и раскручивать аналогичные валы по обе стороны от первоначальной пары. Это означает разрыв вихревого кольца и продолжение (рост) кинематически спаренных вихревых линий далее от точки разрыва. Шестигранные ячейки станут в этом случае неустойчивыми, а валы, напротив, устойчивыми.
Если теперь увеличить подвод тепла, кинематически возможен процесс, обратный только что описанному: возникновение поперечной неустойчивости пар конвективных валов, пересоединение вихревых линий соседних валов с их замыканием друг на друга и возникновением замкнутых, хотя и сплющенных (точнее, горизонтально вытянутых) вихревых колец. В этом случае конвективный слой распадается на продолговатые вытянутые ячейки — ламели. Их дальнейшему округлению будет препятствовать взаимное притяжение протяженных частей спаренных вихревых линий, подобное тому, что наблюдается у пар смерчей, движущихся как единое целое и вращающихся в противоположных направлениях. Характерное расстояние между ними поддерживается равновесием сил притяжения вихревых линий и сил отталкивания, которые связаны с упругостью линий тока, определяемых инерцией жидкости. При дальнейшем усилении подогрева получившиеся ламели распадаются на нормальные круглые вихревые кольца, т. е. возникает типичная бенаровская конвекция.
Застывшее движение
Возвращаясь к геологическим структурам, видим, что многоярусная ячеистая конвекция — не просто допустимое уравнениями гидродинамики решение, но и реально наблюдаемое явление, если не в процессе, то по своему итогу. Именно окаменевшие результаты этого явления мы и наблюдаем в столбчатых базальтах, например в виде Лестницы гигантов на севере Ирландии. Еще одно название данной формации — Мостовая гигантов. На приведенной в начале статьи фотографии видно, откуда оно взялось. Обширные площади словно вымощены базальтовыми плитками примерно одинакового размера и правильной формы, в основном шестиугольными. Поперечный размер плитки около 1,5 м. На фотографии детали этой «мостовой» при большем увеличении видно, что боковые вертикальные грани плиток — почти правильные плоскости. Верхние горизонтальные грани могут быть плоскими, но порой они выпуклые или вогнутые.
Горизонтальный участок Лестницы гигантов, называемый Мостовой гигантов, и его деталь при большем увеличении
На обзорной фотографии заметны вертикальные плоские грани конвективных колонн, их почти одинаковый поперечный размер и членение каждой колонны по вертикали на горизонтальные плитки почти одинаковой толщины. Горизонтальные границы плиток соседних столбов находятся на одном уровне. Если рассмотреть детали снимка при большем увеличении, то можно увидеть некоторые другие интересные особенности членения данного базальтового массива. Это сколы на угловых вертикальных ребрах ячеек, преимущественно в донных частях ячеек, но иногда и у их верхних горизонтальных граней; округлые трещины на боковых гранях, особенно на узких гранях у ячеек неправильной формы; видно также, что упомянутые выше сколы происходят именно по этим трещинам, а у наиболее правильных ячеек сколоты и углы, и горизонтальные ребра, так что базальтовая плитка больше всего напоминает по форме традиционную шестигранную гайку со снятыми фасками по верхним и нижним ребрам и со скругленными углами, примыкающими к шестиугольным поверхностям.
Все эти особенности нуждаются в объяснении, которое и будет предложено ниже. Для начала отметим, что минеральный и гранулометрический состав базальта варьирует в зависимости от местонахождения образца в пределах ячейки. Это указывает на два сопряженных процесса: механическую сортировку материала конвективными движениями застывающей лавы и минералогическую сортировку по кривой солидуса из-за различной температуры в пределах ячейки. Зерна минералов разной плотности обладают разной плавучестью и в результате оседают вниз или всплывают вверх, а кроме того, увлекаются конвективными движениями по-разному в зависимости от их формы — округлой, пластинчатой или игольчатой. Пластинки и иглы в сдвиговом течении при этом будут преимущественно ориентированы по наибольшим измерениям вдоль линий тока и плоскостей сдвига.
Затвердевание начинается на углах и ребрах ячеек и лишь затем распространяется в центральные области, где температура всегда выше, чем на периферии ячеек. После затвердевания начинается объемное сжатие материала по мере охлаждения и растрескивание массива, причем трещины проходят по спайности, а спайность на границах ячеек идет по поверхностям скольжения в сдвиговом течении. Вот так отдельность наследует спайности, а спайность, в свою очередь, наследует поверхностям скольжения в сдвиговом ламинарном течении многоярусной бенаровской конвекции.
Заметим также, что вязкость базальтовой или андезитовой лавы сильно зависит от температуры расплава, поэтому еще до начала затвердевания конвекция вдали от центральной оси конвективных колонн прекращается и поддерживается лишь в их центральных частях, а периферия (более холодная, а следовательно, более вязкая) превращается в застойные зоны. Именно в них и будут откладываться минералы, первыми выпадающие из расплава. Так образуются вторичные внутренние границы, вдоль которых преобладают ориентированные по поверхностям скольжения в ламинарном потоке пластинчатые и игольчатые минералы и по которым впоследствии идет растрескивание. Отсюда сколотые под 45° к горизонтали углы ячеек и их горизонтальные ребра. В проекции на вертикальные грани ячеек эти внутренние трещины образуют овальные трещины, видные на фрагменте обзорной панорамы при большем увеличении.
Возвращаясь к вопросу о возможных формах конвективной неустойчивости, альтернативных многоярусной бенаровской конвекции, следует упомянуть о встречающемся в литературе термине «конвективные колонны». Имеются в виду бенаровские ячейки с вертикальными размерами, существенно превышающими горизонтальные. Безусловно, такая форма конвекции возможна как кинематически, так и динамически, но она не удовлетворяет третьему, самому важному критерию, а именно устойчивости этой формы движения жидкости (или газа).
Такие колонны окажутся подверженными поперечной (горизонтальной) неустойчивости восходящих и нисходящих потоков: соседние линии тока с противоположным направлением движения будут легко разрываться и замыкаться друг на друга, что приведет к перестройке картины движения к описанной выше многоярусной бенаровской конвекции, которая окажется уже устойчивой. Тем самым конвективные колонны будут в лучшем случае переходной неустойчивой стадией развития конвекции, если вообще смогут возникнуть. Поэтому как по горизонтали, так и по вертикали в толстом слое подогреваемой снизу жидкости ячейки не смогут неограниченно разрастаться, а произойдет «квантование» течения на ячейки, размер которых определится соотношением сил инерции и вязкости, т. е. числом Рейнольдса для данной жидкости, зависящим от характерного масштаба течения. При усилении нагрева упорядоченная ячеистая конвекция просто разрушится и перейдет в неустойчивую хаотическую конвекцию.
Такой переход хорошо виден на фотографии пещеры Фингала, где базальтовый массив четко делится по вертикали на три слоя: сплошной скальный массив без всяких трещин внизу, столбчатая отдельность в промежуточном среднем слое и хаотическое нагромождение базальтовых глыб поверх слоя столбчатых базальтов, причем границы между этими тремя слоями строго горизонтальны. Согласно нашей интерпретации этой геоморфологии, в нижнем слое излившейся базальтовой лавы температурный градиент был недостаточен для возникновения конвективной неустойчивости, в среднем слое он обеспечивал многоярусную бенаровскую конвекцию, в свою очередь поддерживавшую этот линейный температурный градиент, и, наконец, в верхнем слое градиент был слишком велик и приводил к хаотической конвекции, порождающей нагромождение базальтовых глыб, которые образуются при их быстром остывании и растрескивании.
Стопки базальтовых плиток, образующих вертикальные столбы рядом с пещерой Фингала. На верхнем снимке отчетливо прослеживаются три горизонтальных пласта базальтового массива: сплошной нерасчлененный массив внизу, столбчатые базальты в среднем слое и хаотическое нагромождение бесформенных базальтовых глыб в верхнем слое
Отметим также, что растрескиванию базальтового массива при затвердевании (кристаллизации) способствует значительное сокращение его объема при этом процессе (примерно на 12%). Это означает коэффициент линейного сжатия около 4%, что согласуется с величиной вертикального зазора между плитками около 3 см при диаметре плиток примерно 1,5 м (как на фотографиях Мостовой гигантов). Вогнутость в центре горизонтальных поверхностей верхнего слоя плиток так же связана с их объемным сжатием при кристаллизации, как и выпуклость верхних горизонтальных поверхностей нижележащего слоя плиток, остающихся в полужидком состоянии после затвердевания верхнего слоя и наследующих форму выпуклой вверх горизонтальной границы между верхним и нижележащим слоем. Форма этой границы в виде сферического сегмента, четко видная на снимках, легко объяснима выдавливанием полужидкого содержимого ячейки в результате сокращения горизонтального размера боковых граней в процессе их затвердевания. Верхняя граница ячейки затвердевает раньше нижней, и объемное сокращение оставшегося расплава осуществляется деформацией нижней границы.
Разумеется, приведенные рассуждения носят качественный характер, они не позволяют количественно сопоставить различные физические и гидродинамические факторы, от роли и взаимодействия которых зависит ход процесса и в конечном счете форма и размеры наблюдаемых образований. Строгое исследование процессов, приведших к образованию базальтовых столбов, должно быть основано на анализе моделей, адекватных той расплавленной среде, из которых они образовались, что пока трудно реализовать, поскольку нет достаточной информации о свойствах расплавленного базальта и соответствующих числовых значениях параметров.
Литература
1. Трапезников Д. Е., Сунцов А. С., Рыбальченко Т. М. К вопросу о происхождении столбчатой отдельности в базальтах и ее аналогов // Вестник Пермского университета. Геология. 2012. Вып. 2(15). С. 8–15.
2. Гетвиг А. В. Конвекция Рэлея — Бенара. Структуры и динамика. М., 1999.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Гидродинамика. Т. VI. М., 1986.
4. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.