В каталог рассылки "Русловые процессы" http://bedload.boom.ru/TRIZ/Rassilka4/index.html

''Русловые процессы' '
Электронная рассылка
http://subscribe.ru/catalog/science.natural.river

Выпуск № 5. -- 24 сентября 2004 г. Сайт ''Русловые процессы и ТРИЗ'' http://bedload.boom.ru/ -- ancondratyev@peterlink.ru

Здравствуйте, уважаемые друзья русловеды!

VI Гидрологический съезд

Во вторник, 28 сентября, в Санкт-Петербурге начинается VI Гидрологический съезд.

Там будет и мой доклад, посвященный обзору основных законов русловедения и применению принципа Ле Шателье - Брауна в русловедении. Правда, в стендовом виде.

До встречи на съезде!

 Применение принципа Ле Шателье – Брауна для объяснения причин явлений
(на примерах из русловедения и других естественных наук)

Это не та статья, которую я буду представлять на съезде. Но она тоже связана с принципов Ле Шателье.

Для объяснения физической сущности природных явлений используются различные правила, приёмы, методики. Одним из основных принципов является принцип причинности. По Д. Харвею (1974), научное объяснение – это перевод неизвестного явления в познанное или известное, и вопрос «почему?» является главным.

В отношении причинности иногда проявляется известный скепсис [9]. Но оставаясь, тем не менее, на незыблемости этого принципа для макрообъектов, к которым относятся объекты исследования географических наук, в настоящей статье рассматривается развитие и детали принципа причинности.

Это принцип диссимметрии, кратко выражающийся в том, что причиной каждого природного явления есть некая разность (неравенство); принцип обратной связи (компенсации), заключающийся в том, что всякое нарушение равновесия вызывает противоположную ответную реакцию и обобщающий эти два положения принцип Ле Шателье – Брауна, формулировку которого в применении к большому классу природных объектов сделал А.А. Богданов.

Применение этих принципов будет иллюстрировано на примерах из русловедения и других наук о Земле. В русловедении эти принципы долгое время не были взаимосвязаны и применялись в виде отдельных принципов и «постулатов». Например, принцип диссимметрии формулировался в виде принципа взаимодействия потока и русла, принцип Ле Шателье – Брауна выражался в виде закона автоматического выравнивания транспортирующей способности потока. Триада этих принципов объединена и сформулирована во взаимосвязанной системе. Такое же осознанное объединение разрозненных формулировок можно сделать и в других отраслях науки.

Понятие о диссимметрии неразрывно связано с фундаментальным принципом симметрии. Термин «симметрия» ввёл Гиппас, что буквально означало «соразмерность». Следовательно, «диссимметрия» (а также «асимметрия», хотя есть нюансы различия, и это не совсем одно и то же) значит «несоразмерность». Значительную роль симметрия играет в оптике, астрономии, биологии. Симметрию в анатомии исследовал В.Н. Беклемишев (1964), в химии Р. Хохштрассер (1968), в математике А.В. Шубников (1940), в физике Е. Вигнер (1971), В физике термин «симметрия» ведёт начало от натурфилософии и геометрии, и применялся он, прежде всего, в кристаллографии.

Французский физик Пьер Кюри (Curie) (1859-1906) изучал вопросы симметрии кристаллов и проблему симметрии в физике вообще. В 1984 году он сформулировал принцип, согласно которому кристалл под влиянием внешнего воздействия изменяет свою симметрию таким образом, что сохраняются лишь элементы симметрии общие с элементами симметрии воздействия. Этот принцип, по сути, описывает не симметрию, а нарушение симметрии, диссимметрию. «Открытие некоторой асимметрии не означает отрицания принципа симметрии. Асимметрия и симметрия в единстве образуют высшую метасимметрию» ([25], с. 22).

Принцип был сформулирован П. Кюри, но ранее был выражен Л. Пастером (1822-1895). Он изучал диссимметрию в аспекте хиральности левых и правых явлений в организме. П. Кюри перенял идеи Л. Пастера и развил их с физической точки зрения: «диссимметрическое явление всегда должно вызываться такой же диссимметрической причиной». Но идея П. Кюри осталась неразработанной. Только после работ Е. Вигнера (1971) принципы инвариантности и относительности в качестве физических законов стали пониматься как принципы симметрии.

Идеи Л. Пастера и П. Кюри развивает В.В. Митрофанов [20]. Являясь автором многих изобретений, он описывает использование диссимметрии в различных системах (от машины до молекулы) как движущей силы развития. Принцип диссимметрии В.В. Митрофанов сформулировал так: «Если в точках, линиях, плоскостях, объёмах любых тел имеется разность (или сумма) зарядов, токов, потенциалов, напряжений, сил, потоков, концентраций, и существуют условия для скалярного или векторного взаимодействия…, то эта диссимметрия совершит работу, и будет наблюдаться некий эффект» ([20], с. 57-58). В обобщённом виде: «Если имеется некая разность между частями системы, и обеспечивается взаимодействие между этими частями, то должен быть некий эффект».

Примером использования диссимметрии является объяснение эффекта Тваймана, открытый в 20-е годы XX века и объяснённый В.В. Митрофановым в 1990 году. Эффект Тваймана – это прогиб кремниевой пластины при разной обработке противолежащих поверхностей. Диссимметрия появляется за счёт разности сил поверхностного натяжения на противоположных сторонах пластины.

Отношения движущих сил и соответствующие им относительные параметры широко применяются в естественных науках. Например, «непосредственной причиной деформаций речного русла является нарушение баланса наносов» ([23], с. 153). Н.Н. Иванов [11] ввёл соотношение между количеством осадков и испаряемостью (коэффициент увлажнения К=R/E) и установил величины коэффициента К для различных зон увлажнения. М.И. Будыко предложил в радиационном индексе сухости выражать количество осадков в тепловых единицах: R/L, где R – радиационный баланс, а L – количество тепла, необходимое на испарение годового количества осадков [6]. В.Ф. Полонский рассматривает соотношение факторов формирования устьев рек [22]. В устье складывается устойчивое равновесие между аккумулирующей работой реки и разрушающей работой моря. С.С. Байдин [2] в качестве критерия для оценки интенсивности характера их аккумуляции в устьевой области рассматривает соотношение Q/R, где Q – величина годового стока воды, а R – объём речных наносов. Количественная роль соотношения стока наносов рек и волнения в формировании морского края дельты была оценена В.Н. Михайловым [21].

Указывая, что «в практически равных климатических условиях одновременно сосуществуют функционально связанные между собой разные формы организации водных масс (подземные воды, реки, озёра, болота)» [12], И.Н. Гарцман и др. считают, что нарушение баланса между действующими факторами является причиной существования различных видов водных объектов. Система «водные массы – кора выветривания» в зависимости от соотношения эндогенных (Vэнд) и экзогенных (Vэкз) сил может принимать формы озёр, потоков и т.д., переходя из одной формы в другую. Равенство соблюдается при разных абсолютных значениях Vэнд и Vэкз, система способна находиться в разных стационарных состояниях, и её движение может рассматриваться как переход из одного стационарного состояния в другое» ([12], с. 93-94). К.М. Беркович предлагает в качестве критерия соотношение гидрологических и геолого-геоморфологических факторов. Гидрологические факторы определяют энергию потока, а набор геолого-геоморфологических факторов характеризует степень сопротивления работе потока ([4], с. 285-286).

Приведённые примеры показывают широкое распространение относительных параметров как критериев существования различных типов природных объектов. Составляющими частями в соотношениях обычно являются характеристики двух взаимодействующих сил. Отношение представляет собой баланс сил, отвечающий за морфологию явления.

Принцип диссимметрии является первой частью принципа, который не только обнаруживает существование явления при наличии причинной диссимметрии, но и указывает направление действия этого явления. В русловедении принцип диссимметрии выражен в виде принципа взаимодействия потока и русла, сформулированного М.А. Великановым [7]. Первоначальная формулировка была статичной, она иллюстрировала лишь естественное состояние каждого русла: «…в результате постепенного воздействия отдельных струй на отдельные части руслового рельефа речное русло приобретает всё более и более плавные очертания, отчего сглаживается и форма струй, пока, наконец, русло и поток не становятся единым органически связанным комплексом, в котором русло приобретает форму потока, а поток отражает форму русла» [8].

Н.И. Маккавеев (1955) развил принцип взаимодействия потока и русла М.А. Великанова и придал ему формулировку «взаимной обусловленности потока и русла» [18]. Отличительной чертой последующих формулировок принципа саморегуляции является не только существование констатации факта влияния русла на поток, а потока на русло, но и указание направления изменения системы «поток–русло» для достижения нарушенного динамического равновесия. Переход к такой целенаправленной формулировке так же происходит и во многих других отраслях науки. Указание направления ответного действия системы часто именуется «компенсацией» или «обратной связью».

Гораздо раньше подобная формулировка в виде закона смещения химического равновесия в зависимости от внешних факторов была сформулирована французским физико-химиком А.Л. Ле Шателье (Le Chatelier) (1850-1936). В 1884 году принцип смещения равновесия в зависимости от температуры высказал Я. Вант-Гофф. В этом же году в общем виде принцип смещения равновесия был установлен А.Л. Ле Шателье и в 1887 году термодинамически обоснован К. Брауном.

Принцип Ле Шателье – Брауна («принцип смещения равновесия») устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Так, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (например, химические реакции), идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении – изменения, протекающие с выделением теплоты. Принцип Ле Шателье – Брауна позволяет определять направление смещения равновесия термодинамических систем без детального анализа условий равновесия.

Исторически принцип Ле Шателье – Брауна был сформулирован по аналогии с правилом индукции Ленца. Вполне строго принцип выводится из общего условия термодинамического равновесия (максимальности энтропии). В русловедении также давним принципом является принцип «минимума диссипации энергии». Этот принцип используется для объяснения причин меандрирования рек, но на данном этапе развития науки этот принцип в том виде, как он сейчас формулируется, не даёт ответа о причинах образования разных типов русловых процессов, в том числе и меандрирования. Возможно, что этот принцип надо прилагать к более расширенной системе – не просто река, а поток воды с наносами.

Теория термодинамической устойчивости была разработана в конце XIX в. американским физиком Дж. У. Гиббсом (1839-1903). Он обобщил принцип энтропии, применяя второе начало термодинамики к широкому кругу процессов, и вывел фундаментальные уравнения, позволяющие определять направление реакций и условия равновесия для смесей любой сложности.

А.А. Богданов (Малиновский) выдвинул идею создания науки об общих законах организации — тектологии, выступив одним из пионеров системного подхода в науке. В работе [5] А.А. Богданов расширяет действие принципа Ле Шателье – Брауна на все природные процессы: «системы, находящиеся в определённом равновесии, обнаруживают тенденцию сохранять его, оказывают внутреннее противодействие силам, его изменяющим». А.А. Богданов иллюстрирует это так: «Если на одну чашку их [весов] произведено давление, например, положена гирька, то эта чашка начинает опускаться, а другая подниматься… Но по мере того как это происходит, в самой системе возникает противодействие ему: чашка с гирькой падает с замедлением, и только до известного предела». Он формулирует принцип Ле Шателье следующим образом: «Если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению».

Принцип Ле Шателье – Брауна в естественных науках использовал Ф.Н. Лещиков при изучении развития криогенных процессов. «При нарушении термодинамического равновесия действие морфолитодинамической системы направлено на ликвидацию или минимизацию возмущения и на возвращение её к динамическому равновесному состоянию на новом уровне (принцип регуляции и саморегуляции Ле Шателье)» ([9], с. 127).

В.И. Вернадский писал: «Природные воды, рассматриваемые как минералы, являются сложными динамическими системами равновесия, находящимися в теснейшей связи с окружающей средой» ([3], с. 142). В.И. Вернадский использовал понятие динамического равновесия для характеристики состояния других сфер Земли. С.Н. Ложкин применил принцип Ле Шателье при расчёте взаимодействия потоков основного русла и поймы [16].

Использование принципа Ле Шателье – Брауна для объяснения развития речных русел было сделано К.В. Гришаниным [10] и продолжено Н.И. Алексеевским и Р.С. Чаловым ([1], с. 27-28): «В основе реакции системы поток–русло на изменение стока наносов на верхней границе лежит принцип Ле Шателье. Он объясняет смену характера взаимодействия между компонентами системы при изменении внешних условий. Направленность этих взаимодействий отвечает восстановлению существовавших ранее условий переноса наносов». В физическом отношении это описывается процессами выравнивания транспортирующей способности по длине участка реки через изменение уклона дна и водной поверхности [1].

Вывод о способности реки варьировать транспортирующую способность за счёт изменения извилистости русла и формы его поперечного сечения сделал Н.Е. Кондратьев [15, 24].

Принцип взаимодействия потока и русла постепенно трансформируется в принцип взаимозависимости, затем взаимоуправления потока и русла, а потом в принцип саморегулирования системы «поток–русло». «Главным фактором взаимодействия потока и русла следует считать происходящий между ними взаимообмен наносами, несбалансированность которого приводит к однонаправленным деформациям русла. Явно прослеживаются как прямые, так и обратные связи, обусловливающие саморегулирование необратимых русловых деформаций и транспорта наносов» ([13], с. 13-14).

Н.И. Маккавеев показал, что в основе развития флювиальных систем лежит процесс «автоматического регулирования» транспортирующей способности потока [18]. «На тех участках, где удельная транспортирующая способность потока недостаточна для транзита поступающих с вышележащего участка наносов, дно постепенно повышается до тех пор, пока в результате отложений уклон не возрастёт до величины, обеспечивающей транзит наносов. Те же участки, где поток содержит наносов меньше, чем мог бы переносить, углубляются тем интенсивнее, чем больше дефицит насыщения потока наносами» ([18], с. 189). Поскольку баланс наносов отражает направленность эрозионно-аккумулятивных процессов, то «автоматическое регулирование» транспортирующей способности потока следует рассматривать как закон эрозионно-аккумулятивных процессов ([1], с. 56). Закон автоматического выравнивания транспортирующей способности является второй половиной принципа саморегуляции русла: «Русловой поток автоматически выравнивает свою транспортирующую способность по длине реки, вызывая эрозию или аккумуляцию в местах, где она относительно мала, до тех пор, пока не установится такой уклон, при котором транспортирующая способность потока на данном участке не сравняется с транспортирующей способностью на вышележащем участке» ([26], с. 18).

Н.И. Маккавеев рассматривает систему «река–водосбор». На этом системном уровне выравнивание транспортирующей способности приводит к изменения продольного профиля реки: «В результате эрозионно-аккумулятивной работы потока его удельная транспортирующая способность постепенно выравнивается по длине речной системы» ([17], с. 240-241). На системном уровне «русло–поток» выравнивание транспортирующей способности проявляется в смене типа русловых процессов. При рассмотрении по длине потока этот закон называется законом автоматического выравнивания транспортирующей способности, а в рассмотрении двух основных факторов руслоформирования – поступления наносов и транспортирующей способности – это закон автоматического соответствия транспортирующей способности и поступления наносов.

Можно сделать вывод, что движущей силой формирования различных типов русловых процессов является диссимметрия (неравенство) между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов с верхнего створа. Это отношение является побуждающей причиной русла к изменению формы русла и типа русловых процессов [14]. Ответной реакцией реки, направленной на уменьшение побуждающей диссимметрии является морфологическое изменение реки.

Отношение транспортирующей способности потока на данном участке к поступлению наносов на этот участок называется относительной транспортирующей способностью участка реки [14]. Впервые этот термин употреблён в [19]: «Главным критерием уязвимости малых рек по отношению к заилению является их относительная транспортирующая способность (ОТС) – отношение транспортирующей способности малой реки в данном створе к стоку наносов, поступающему в реку с водосбора. По ОТС можно определить направленность и интенсивность развития продольного профиля. При ОТС>1 происходит углубление реки и очищение её от наносов… При ОТС<1 происходит аккумуляция наносов в реке, повышение поймы и русла» ([19], с. 58).

Выводы. Применение принципа диссимметрии Кюри в формулировке В.В. Митрофанова и принципа Ле Шателье–Брауна в формулировке А.А. Богданова эффективно для процесса познания в различных науках. Из основных факторов формирования русел выделяются транспортирующая способность потока и поступление наносов в реку. Их отношение (диссимметрию) можно использовать как один из критериев, определяющий формы русла.

Список литературы
1. Алексеевский Н.И., Чалов Р.С. Движение наносов и русловые процессы. М.: МГУ. 1997. 170 с.
2. Байдин С.С. Стадийность развития устьевой области реки // Труды ГОИН. Вып. 104. 1971. С. 5-30.
3. Баландин Р.К. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. М.: Знание. 1979. 176 с.
4. Беркович К.М., Власов Б.Н. Особенности русловых процессов на реках Нечерноземной зоны РСФСР // Закономерности проявления эроз. и русл. проц. в разл. прир. условиях. М.: МГУ. 1981. С. 285-286.
5. Богданов А.А. Очерки организационной науки, Самара, 1921.
6. Будыко М.И. О закономерностях поверхностного физико-географического процесса // Метеорология и гидрология. 1948. № 4.
7. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Л.-М.: Гидрометеоиздат. 1946. 521 с.
8. Великанов М.А. Русловой процесс (основы теории). М.: Госфизматгиз. 1958. 395 с.
9. Генезис рельефа / Г.Ф. Уфимцев, Д.А. Тимофеев, Ю.Г. Симонов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. Предпр. РАН. 1998. 176 с.
10. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. 428 с.
11. Иванов Н.Н. Ландшафтно-климатические зоны земного шара // Зап. Географического общ-ва, нов. сер. М.-Л. 1948. Т. 1.
12. Индикативные свойства удельных валовых показателей речной сети и их геологическая интерпретация / И.Н. Гарцман, М.С. Карасев, И.Н. Лобанова И.Н. и др. // Труды ДВНИГМИ. Вып. 54. 1976. С. 93-110.
13. Караушев А.В., Романовский В.В. Научные и практические аспекты исследования стока наносов // Тезисы докладов V Всес. гидролог. съезда. Секция русл. процессов и наносов. Л.: Гидрометеоиздат. 1986. С. 12-14.
14. Кондратьев А.Н. Соотношение транспортирующей способности потока и стока наносов как условие формирования русел рек разных типов // Геоморфология. 1999. № 3. С. 14-18.
15. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 272 с.
16. Ложкин С.Н. Применение принципа Ле Шателье при расчёте взаимодействия потоков основного русла и поймы // Гидрология и метеорология, 1984, № 11.
17. Маккавеев Н.И. К вопросу о процессах формирования речных систем / Маккавеев. Н.И. Теоретические и прикладные вопросы почвоведения и русловых процессов. Избранные труды. М.: МГУ. 2003. С. 240-242.
18. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в её бассейне. М.: АН СССР. 1955. 346 с.
19. Малые реки как наиболее уязвимое звено речной сети / Г.П. Бутаков, А.П. Дедков, А.Н. Кичигин и др. // Эрозионные и русловые процессы. Вып. 2. М., 1996. С. 56-70.
20. Митрофанов В.В. От технологического брака до научного открытия. СПб.: Ассоциация ТРИЗ Санкт-Петербурга. 1998. 395 с.
21. Михайлов В.Н. Динамика потока и русла в неприливных устьях рек. М.: Гидрометеоиздат. 1971. 260 с.
22. Полонский В.Ф. Первичные процессы формирования устьевого бара // Труды ГОИН. Вып. 159. 1980. С. 49-58.
23. Россинский К.И., Кузьмин И.А. Закономерности формирования речных русел // Русловые процессы. М.: АН СССР. 1958. С. 5-14.
24. Русловой процесс / Н.Е. Кондратьев, А.Н. Ляпин, И.В. Попов и др. Л.: Гидрометеоиздат. 1959. 372 с.
25. Симаков А.А. Опыт разработки системы методологических принципов // Философия науки, 2001, № 1 (9), с. 3-32.
26. Чалов Р.С., Хмелева Н.В. Развитие учения об эрозионно-аккумулятивном процессе в трудах профессора Н.И. Маккавеева // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 7. М.: МГУ. 1979. С. 6-34.

Желаю Вам счастья!

Ведущий - Александр Кондратьев ancondratyev@peterlink.ru 

Выпуск № 5. -- 24 сентября 2004 г. Сайт ''Русловые процессы и ТРИЗ'' http://bedload.boom.ru/

Электронная рассылка ''Русловые процессы''
 http://subscribe.ru/catalog/science.natural.river