Ячейки Марангони

Ячейки Марангони действительно могут быть получены при разумных концентрациях ПАВ (в данном случае в воду добавлен моноэтаноламин). Их размеры вполне макроскопические — около 1 см, а конвекция возникает в достаточно широком для нужд практики диапазоне параметров.

Конвекция Марангони устойчива, более того — она самоподдерживается. Это чрезвычайно важно для практического использования, так как не требуются специальные меры для ее постоянного возбуждения. Взглянем на динамику развития конвекции. Первые, «затравочные» ячейки, инициированные в центре кюветы, словно шестеренки, «зацепляют» близлежащие слои воды и порождают новые ячейки, вращающиеся в противоположную сторону.

Постепенно ячейки заполняют весь объем кюветы, после чего начинается другой процесс — установление конвекции. Лишние ячейки исчезают (две крайние сливаются в одну), а размеры оставшихся выравниваются. Величина ячейки определяется только свойствами процесса, а не внешними воздействиями. Поэтому на фиксированной длине их может поместиться лишь определенное число.

В итоге через полминуты конвекция выходит на стационарный режим. Практически одинаковые ячейки равномерно вращаются, перенося растворенный на поверхности газ в глубинные слои воды. Процесс, как говорят, самоорганизовался. Нелинейная система усложнилась, выбрав режим, соответствующий ее собственным законам. Не поняв природы процесса, нечего и мечтать навязать ему свою волю в экспериментальной или промышленной установке.

Точное количественное понимание дает лишь вычислительный эксперимент, «проигрывающий» поведение модели процесса во всех возможных ситуациях.

Эта игра стоит свеч. Массообмен при развитой конвекции увеличивается в два-три раза. Учтем еще масштабы химического производства и дороговизну его оборудования (небольшая платиновая сеточка для катализа по стоимости не уступит автомобилю «Жигули»). Поэтому скромное конвективное колечко, отработав положенный срок в очистительном устройстве, может стать без преувеличения «золотым».

Остров Парамушир погружается в воды океана. Такое сообщение послал в эфир 4 ноября 1952 г. радист одного из судов, стоявших на рейде г. Северо-Курильска. Хотя Парамушир до сих пор спокойно находится там, где он всегда обозначался на картах, не будем упрекать радиста за поспешность. Каждый из нас подумал бы что-то в этом роде, увидев, как волна цунами высотой с трехэтажный дом захлестывает побережье.

В 1958 г. волна высотой в 500 м, образовавшаяся в аляскинской бухте Литуйя из-за обвала в нее 300 млн. м3 горной породы, полностью накрыла небольшой остров, сорвав с него почву и деревья. Более 100 тыс. погибших — таков один из печальных итогов «работы» цунами за последнее столетие. Можно не сомневаться, что и раньше их нрав был не менее буйным. Считается, что вулканический взрыв острова Тир в Эгейском море и последовавшие за ним цунами 3,5 тыс. лет назад привели к гибели целой цивилизации — Атлантиды.

Подобные явления — настоящий вызов науке. Обычные теоретические методы складывают оружие перед сложностью этих процессов, а их масштабы исключают прямой эксперимент. Да и вряд ли найдется безумец, желающий воспроизвести, например, падение Тунгусского космического тела, эквивалентное по разрушению взрыву 15-мегатонной бомбы.

Лабораторный эксперимент может быть только иллюстративным, так как не сохраняется подобие аэрофизических характеристик.
«Реконструкция» тунгусской катастрофы, проведенная методом вычислительного эксперимента, восстановила математически точную картину события. Она окончательно отмела ряд хотя и эффектных, но далеких от науки гипотез. «Словесный портрет» феномена начинается словами: «Тело массой 105 т вошло в атмосферу под углом 35° к поверхности

Земли со скоростью 40 км/с, на высотах 20—7 км раздробилось и затормозилось. Ударные волны, возникшие в результате движения тела и его взрыва, разрушили лесной массив, а излучение от нагретых до 10 000° С слоев воздуха в окрестности траектории привело к ожогам и воспламенению леса…».

Не будем сообщать все цифры и описывать явление полностью. Покажем только двух «бабочек-близнецов, характеризующих фактическое и расчетное разрушение тайги. Несимметричная форма разрушений на почти ровной местности связана с наклоном траектории (в случае перпендикулярного падения «бабочка» превратилась бы в систему концентрических кругов).

Тем самым математическое моделирование дает возможность ученым заняться детальным исследованием крупномасштабных явлений. Они связаны в основном со взаимоотношениями человека и природы.

Кратко расскажем о некоторых из них. Загрязнение воздуха от работы транспорта и промышленных предприятий крупного города, как это ни странно на первый взгляд, наиболее опасно не в дневное, а в ночное время. Днем из-за солнечной радиации движение приземного воздуха, выносящего примеси, гораздо интенсивнее, чем ночью. Более того, ночью это движение может вообще прекратиться из-за того, что температура воздуха на высоте нескольких сот метров оказывается выше, чем у поверхности. Температурная инверсия «запирает» атмосферные процессы, и конвективный перенос прекращается (как и перенос тепла в комнате с подвешенной к потолку батареей). Примеси накапливаются и могут на порядок отличаться от дневных показателей.

Подобный процесс не исключен и при работе горнодобывающих карьеров. Только в этом случае возникает не инверсия тепла, а концентрация пыли, «захлопывающая», словно крышкой, каньон карьера или межгорную котловину, в которой расположены промышленные объекты. Только математическое моделирование развития этих процессов в различных условиях позволяет дать научно обоснованный прогноз, составить карту размещения предприятий и регламентировать режим их работы, безопасный с точки зрения санитарных норм. Причем очевидные решения, основанные на пресловутом здравом смысле и, как правило, не учитывающие сложность и тонкость этих явлений, могут обернуться провалом. Внешне разумное предложение разместить предприятия на городских окраинах должно проверяться вычислительным экспериментом. Ведь «городской остров тепла» стимулирует локальную циркуляцию воздуха, а значит, и примесей от периферии к центру города.

Другая серия примеров связана с водоемами. Хорошо ли жить у озера? С положительным ответом следует повременить, если озеро находится неподалеку от промышленных объектов. Местная роза ветров может стать очень «колючей», испытав влияние канала или водохранилища. Осенью вода теплее суши и над каналом образуются мощные восходящие потоки относительно теплого воздуха. Многокилометровый инверсионный «язык» температуры засасывает загрязнения в огромную конвективную ячейку, словно «слизывая» все прелести рыбалки и другие преимущества водоемов. Многие города страдают от смогов, вызванных соседством больших водных поверхностей.

Математическое моделирование подобных явлений требует многолетней работы целых коллективов ученых различных специальностей над всеми звеньями триады «модель — алгоритм — программа». Модели представляют собой большие «комбайны», включающие уравнения переноса примесей и тепла, химической кинетики. Но без компьютерной хозяйственной политики уже не обойтись, так как лишь она может дать эффективные и экономичные решения.

Например, созданы опытные образцы полевой аэрозольной установки для внесения ядохимикатов, снабженной вычислительным комплексом. Перед началом работы микроЭВМ «проигрывает» модели распространения аэрозолей у земной поверхности, сообразуясь с конкретной гидрометеорологической ситуацией. При использовании этой технологии расход ядохимикатов уменьшается в 10 раз, а степень поражения вредителей остается прежней.

В хозяйственных делах у человека своя рука — владыка. А что делать, например, с «большими волнами в гавани» (так звучит не лишенный поэтичности перевод японского слова «цунами»).

Единственный пока способ борьбы с ними — отвод людей и техники от побережья и прекращение работы промышленности. В нашей стране в 1959 г. создана служба оповещения, работа которой исключила человеческие жертвы от цунами. Предупреждение основано на регистрации сейсмических волн от землетрясений, которые служат главной причиной появления цунами.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru