Автоволны. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Автоволны - разновидность самоподдерживающихся волн в активных, т. е. содержащих источники энергии, средах (распределённых системах). Первоначально термин "А." предназначался для любых видов автоколебат. процессов в системах с распределёнными параметрами, но затем стал применяться гл. обр. к таким процессам, где с волной переносятся лишь относительно малые порции энергии, необходимые для синхронизации, последоват. запуска или переключения элементов активной среды. В той же степени, как и в обычных автоколебаниях ,характер установившегося движения в целом определяется (с точностью до фазы) свойствами системы и не зависит от нач. условий, локальная структура А. "оторвана" и от начальных, и от граничных условий. В простейших случаях А. описываются нелинейным параболич. (диффузионным) ур-нием

где f(и) - нелинейная функция, характеризующая, в частности, локальные источники энергии в среде,

- время релаксации, D - коэфф. диффузии. Значения и, обращающие f в нуль, отвечают состояниям равновесия (устойчивым или неустойчивым). Если таких значений несколько, то в системе возможны А. переброса из одного состояния в другое. Скорость таких волн имеет порядок

а длительность - порядок

В системах из двух или более компонент А. описываются неск. связанными ур-ниями вида (*) с различными, вообще говоря, параметрами

и D. В них А. могут иметь более сложный вид, напр. одиночных импульсов (импульс возбуждения в нервном волокне и др.) или периодич. волн (плоских, круговых, спиральных).

Химически активная среда, представляющая собой тонкий слой водного раствора, в к-ром идёт автоколебат. реакция окисления малоновой к-ты броматом, катализируемая комплексными ионами железа, является весьма удобным объектом, где наблюдалось наиб. число разл. типов А. (рис. 1 и 2). Простые А. (квазиплоские, с пост. скоростью) являются нормальным режимом в важных биол. системах и в ряде тех-нол. процессов: горении всех видов, гетерогенном катализе, передаче информации в активных линиях и т. д. Во всех этих случаях сложные А. (вращающиеся, спиральные, пульсирующие) - причина срыва нормального режима или возникновения шумов, не-устойчивостей и помех. Теория А. активно развивается, однако ещё далека от завершения.

Важнейший пример А.- импульсы возбуждения в биол. мембранных системах (нервных волокнах, мышцах, миокарде), где компонентами являются трансмембранная разность потенциалов и ионная проводимость мембраны.

Рис. 1. Концентрические автоволны в химически активной среде, исходящие из точечного источника - ведущего центра. Период следования волн

с, длина волны

см, интервалы между кадрами 45 с, скорость волн

см/с.

Рис. 2. Спиральные волны в химически активной среде, образующиеся после разрыва фронта концентрической волны. В установившемся режиме

с,

см, интервалы между кадрами 30 с, скорость волн

см/с.

В частности, в сердце имеется т. н. водитель ритма - небольшая область, где мембрана находится в автоколебат. режиме. В норме А., распространяющаяся от водителя ритма, имеет длину

много большую, чем линейные размеры сердца

, что обеспечивает одноврем. сокращение всей массы миокарда. Однако при ряде патологий возникают разрывы фронта нормальной А., из последних образуются спиральные А. с очень малой длиной (~ 0,1-1 см), что ведёт к смертельно опасным нарушениям режима сокращения сердца. Теория А. позволяет выделить параметры, ответственные за устойчивость нормальных и паразитных А.

К А. часто относят и стационарные упорядоченные распределения (т. н. диссипативные структуры), возникающие в активных средах, описываемых диффузионными ур-ниями. А. играют также важную роль в морфогенезе, образуя структуры, предшествующие окончат. установлению формы многоклеточных организмов.

Литература по автоволнам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.