Разрешение кажущихся противоречий в принципах оптимальности для потоковых процессов в геосистемах

Учёный из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли Калифорнийского университета Хуэй-Хай Лю предложил новую термодинамическую гипотезу для разрешения кажущихся противоречий между различными принципами оптимальности, описывающими потоковые процессы в геосистемах, такими как минимизация энергозатрат (MEE) и принцип максимума производства энтропии (MEP). Гипотеза, изложенная в статье в Chinese Science Bulletin, утверждает, что нелинейная незамкнутая система с положительными обратными связями стремится минимизировать своё сопротивление именно тому движущему потоку, который навязывается ей внешней средой.

Это уточнение имеет ключевое значение, так как разрешает давнее кажущееся противоречие. Например, формирование речной сети в бассейне подчиняется MEE, где движущим процессом является поток воды. В то же время система Земля-атмосфера описывается принципом MEP, где движущим процессом является поток тепла от Солнца к космосу. Согласно новой гипотезе, MEP для атмосферы оказывается следствием минимизации сопротивления именно этому тепловому потоку, что делает оба принципа согласованными частями более общей концепции.

Новая теория задаёт чёткие условия применимости принципа оптимальности (нелинейность, незамкнутость системы, наличие положительных обратных связей) и имеет важные практические приложения. Как отмечает Хуэй-Хай Лю, она может стать физической основой для законов подповерхностных потоков в гидрогеологии, включая моделирование для проекта хранилища высокоактивных ядерных отходов Юкка-Маунтин, а также найти применение в изучении интрузивного течения в недрах, процесса гидроразрыва пласта и механики повреждения горных пород.