Докт. техн.
наук Гришин А.П., докт. техн. наук Свентицкий И.И.
Энергоинформационное единство сложности метрологий оптического
солнечного излучения
Приводится краткий исторический очерк
развития энергоинформационного единства светотехнической, оптико-физической и
эксергетической метрологий. Единство метрологий логически основано на принципе
энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции, а
также современной теории информации использующей положения самоорганизации.
Ключевые слова: оптическое солнечное излучение, эксергетический
анализ, энергетическая экстремальность самоорганизации.
Оптическое солнечное излучение (ОСИ) – не
только главный первоисточник энергии для биосферы Земли, но и основное
информационное средство всей ее живой части. ОСИ создает необходимые условия
освещения, которые обеспечивают зрительное восприятие (видение),
дающее около 85% информации, получаемой человеком от окружающего его
предметного мира. Именно по этой
причине ранние исследования ОСИ – сложного по своей природе излучения – прежде
всего, были направлены на изучения свойств света. Однако без учета детерминизма
двуединой энергоинформационной роли этого космического фактора не представляется
возможным полноценное рассмотрение не только прикладных отраслей по
использованию ОСИ, но и возникновения, и развития жизни на Земле, а также
земной цивилизации.
Поступающему на поверхность Земли
солнечному излучению в этот период не придавалось существенного значения как
первичному источнику энергии при техногенном ее преобразовании. Раннее
ускоренное развитие светометрии и отставание в это время развития
оптико-физической метрологий и фотометрии свидетельствует о преобладании
практических побуждений в потребности световых измерений над логической связью
этих метрологий.
Началом
развития фотометрии можно принять конец ХIХ столетия. Во втором издании монографии П.М.
Тиходеева рассмотрено соотношение между световыми величинами и величинами
«лучистой энергии»: её количественной оценки в оптико-физических величинах. Он
отмечал [1, с. 23]: «Вообще величины для лучистой энергии в физике не получали
пространного развития. Часто они применяются как бы в описательном виде».
Шестилетние исследования М. Планка в конце XIX столетия по решению «ультрафиолетовой катастрофы»,
как известно, завершились публикацией в 1900 г. открытия квантовых свойств
излучения [2]. Но и это событие, явившееся началом развития квантовой физики,
так и не ускорило развития и формализацию оптико-физической метрологии, которая
должна была стать по своей сути исходной для светометрии, которая является
частью светотехники – научным приложением
по исследованию принципов и разработки способов генерирования,
пространственного перераспределения, измерения характеристик света.
Как, решая эту проблему, М. Планк открыл
квантовые свойства излучения, он описал в письме к Р. Вуду [2, с. 697-698]:
«Коротко говоря, я могу все дело назвать актом отчаяния. …Я уже шесть лет
(1894) бился над проблемой равновесия между излучением и материей, не достигнув
никакого успеха: я знал, что эта проблема имеет фундаментальное значение для
физики, … но узнать, как это сделать, можно только в том случае, если исходить
из определенной точки зрения. Я … твердо держался обоих законов теории теплоты[1].
Эти оба закона казались мне тем единственным, что при всех обстоятельствах
должно остаться незыблемым». Эта цитата свидетельствует о том, что великий
ученый XIX-XX столетий, твердо
веря в особую важность первого и второго начал термодинамики, как главнейших
законов природы, при решении одной из проблемы термодинамики сделал открытие,
не связанное с этими законами.
Дело в том, что в соответствии со вторым
началом термодинамики (ВНТ) потенциальную превратимость энергии первичных
энергоносителей оценивали до 80-х годов ХХ столетия по основной функции ВНТ –
энтропии. В физике ВНТ использовали для изучения зависимости спектрального распределения
теплового излучения абсолютно черного тела от его температуры. Эта зависимость,
установленная Г.Р. Кирхгофом на основе ВНТ и подтвержденная экспериментально, теоретически
выведенная В. Вином (закон Вина), хорошо отображала зависимость Кирхгофа только
в области больших частот. Для описания этой зависимости в области низких частот
были выведены на основе термодинамики независимо одинаковые формулы Дж. У.
Релеем и Д.Х. Джинсом (закон Релея-Джинса). Результаты расчета по этой формуле
были абсурдными при любой температуре. Излучательная способность абсолютно
черного тела и объемная плотность энергии равновесного излучения в
ультрафиолетовой части спектра были очень велики. Эту проблему теплового
излучения назвали «ультрафиолетовой катастрофой».
Удивительно, что более чем за столетний
период развития квантовой физики в ней не нашлось место ВНТ, несмотря на то,
что, решая одну из его проблем, был открыт исток этого развития – квантовые
свойства излучения и «квант действия», названный в последствии постоянной
планка. Более того, создателями квантовой физики (М. Планк, А. Эйнштейн, А.
Пуанкаре, П. А. М. Дирак и др.) главным законом не только этой отрасли физики,
но и всей физики был признан принцип наименьшего действия в форме
Гамильтониана. [3; 4]. Еще более удивительно, что сущность этого принципа
противоположна сущности ВНТ [4]. Невозможно не отметить еще одну загадку
квантовой физики: размерность и сущность кванта-действия (постоянной Планка) до
сих пор не имеют должного объяснения и естественнонаучной, логической связи с
системой физических величин её измерения. В чем сущность размерности этой величины:
[Дж/Гц] или [Дж·с]?
Такая же размерность была установлена в XVII столетии Г.В. Лейбницем для величины «действия» на
макроуровне в соответствии с принципом наименьшего действия в форме Мопертюи,
но последняя до настоящего времени не вошла в общую систему физических величин
и единиц их измерения. В эту систему входит лишь величина «квант действия» (постоянная
Планка), обоснованная М. Планком на микроуровне спустя более двух столетий
после определения величины действия и ее размерности на макроуровне Лейбницем.
Этот научный факт сам по себе свидетельствует о незавершенности квантовой
теории [3].
Тем не менее, светометрия ускоренно
развивалась на экспериментальной основе. Уже в 1924 г. МКО приняла
относительные значения спектральной чувствительности глаза человека, названные
относительной видностью однородного излучения [5, с. 46-47]. Экспериментально
была установлена спектральная чувствительность глаза и в условиях сумеречного
зрения. Определения основных световых величин были приняты МКО в 1921 г. В
общую систему физических величин в качестве основной величины светометрии вошла
сила света, измеряемая в канделах (Кд, Cd). Кандела – сила света, испускаемая с площади 
м2 сечения
полного излучателя (абсолютно черного тела) в перпендикулярном этому сечению
направлении при температуре затвердевания платины и при нормальном атмосферном
давлении (101325 Па). Производные величины светометрии, вошедшие в общую
систему физических величин, связаны с оптико-физическими величинами через
определение силы света. В физическую систему величин не вошла светометрическая
величина «световая энергия» [1, с. 15], необходимость использования которой
возникает при расчетах технико-экономических показателей эффективности
светотехнических устройств, а также преобразователей энергии ОСИ в другие виды
энергии: тепловую, фотоэлектрическую, химическую фотосинтеза. Фотоэлектрические
установки являются прямым техногенным преобразованием этой энергии в электричество.
А фотосинтез растений – самый мощный процесс преобразования энергии солнечного
излучения в химическую энергию органических веществ на Земле.
Ещё в XIX столетии К.А. Тимирязев указал на особую важность
оценки энергии ОСИ по ее потенциальной превратимости в процессе фотосинтеза. Отметил
непригодность использования для этой цели световых величин и начал исследование
спектральной эффективности фотосинтеза [6]. Однако до 70-х гг. ХХ столетия не
было надежных экспериментальных данных по определению этой величины. Вместо
световых величин А.А. Ничипорович предложил оценивать воздействие ОСИ на
растения по «фотосинтетической активной радиации» – ФАР – суммарной энергии ОСИ
в области 380 – 710 нм, измеряемой прибором с неизбирательной спектральной
чувствительностью в этой области [7]. Такая оценка действия ОСИ на растения
обосновывалась тем, что основные светофизиологические процессы растений приходились
на ОСИ в области ФАР. Одновременно был предложен метод оценки фотосинтезного
действия ОСИ на растения [8] с помощью системы величин, построенной аналогично
системе световых величин с использованием спектральной эффективности
фотосинтеза, рассчитанной по спектрам поглощения фотосинтетических пигментов
растений (хлорофиллы, каротиноиды) и их усредненной концентрации в листьях растений.
В 1965 – 1972 гг. в журнале «Светотехника»
была проведена дискуссия по целесообразности применения названных методов
измерения ОСИ. В статье «От редакции» [9, с. 25] отмечено: «… до получения
достаточно достоверных данных о спектрах действия физиологических процессов,
прежде всего фотосинтеза, следует применять неселективные чувствительные
приборы. При этом, как минимум, должно быть измерено фотосинтетическое активное
излучение в диапазоне волн 380…710 нм, как физиологически наиболее
эффективное…». В этой заключительной статье по дискуссии далее также
отмечалось: «… представляется целесообразным поддержать инициативу И.И.
Свентицкого принять в качестве временного решения расчетный спектр
фотосинтетического действия оптического излучения с тем, чтобы в дальнейшем,
когда будут получены достоверные экспериментальные данные, ввести
соответствующие поправки. В первую очередь такая система величин и единиц
необходима для оценки искусственных источников излучения, применяемых в
растениеводстве…». Такая система величин и единиц измерения в 1974 г. была
регламентирована Минэлектротехпромом СССР [10], в учреждениях которого разрабатывались,
и осваивалось производство энергоэкономных ламп для искусственного облучения
растений.
В 70-х гг. ХХ столетия в работах К.И.
МакКри, К. Инада и др. были опубликованы надежные экспериментальные данные по
спектральной эффективности фотосинтеза различных видов растений. Наиболее
достоверные из них были статистически обработаны [4; 11] (66 спектров действия
у пяти авторов). Полученное среднестатистическое значение спектральной
эффективности фотосинтеза оказалось достаточно близким к значениям, рассчитанным
ранее по спектрам поглощения фотосинтетических пигментов листа растения.
Повторная дискуссия по оценке действия ОИ на растения проведена в
«Светотехнике» в 1979 – 1981 гг. Подробный анализ ее приведен в [11]. В
заключительной статье по ней [12] было одобрено развитие системы величин и
единиц оценки фотосинтезной эффективности. В 1983 г. введен в действие
отраслевой стандарт Минсельхоза СССР, регламентирующий эти величины и единицы
[13]. Аналогичная система величин и единиц измерения предусмотрена немецкими национальными
нормами DIN [14], изданными в 1979 г.
В период 1981 – 1990 гг. проводились
исследования с участием одного из авторов статьи по научному проекту
«Биофотометрия» в рамках сотрудничества стран-членов СЭВ по проблеме
«Исследования в области биологической физики». В них предусматривалась разработка
стандарта СЭВ на биоэффективные величины. Особое внимание при этом уделялось
теоретическим основам: возможности использования положений светометрии и
дозиметрии, связи этой проблемы с термодинамикой, экологической биоэнергетикой
и самоорганизацией [11].
В этот период происходил переход
промышленных энергетиков от энтропийного анализа преобразований энергии к эксергетическому
анализу. Была выявлена принципиальная непригодность энтропийного анализа техногенных
преобразований энергии и биоконверсии энергии ОСИ растениями в агротехнологиях
и охране природы [4; 11]. Это послужило основанием для перевода оценки ОСИ по
фотосинтезному действию на растения из области биофотометрии в методологию эксергетического
анализа, и начать разработку метрологии эксергетического содержания [15].
Нередко оптико-физические величины
называют «энергетическими величинами» ОСИ. В связи с развивающейся метрологией
эксергии, вероятно, было бы целесообразно отказаться от этого термина. Величина
эксергии характеризует потенциальную превратимость любого вида энергии (в том
числе и энергию ОСИ) в требуемый вид энергии.
Принципы построения систем величин и
единиц эксергии аналогичны принципам построения световых величин. Световые
единицы и величины характеризуют основное информационное свойство ОСИ – его способность
вызывать зрительное восприятие (функцию рецепции информации через зрительные
образы). Эксергетические же величины отображают энергопреобразующие свойства
ОСИ: его потенциальную превратимость в другие виды энергии.
Действительно, из следующего примера видна
связь светометрической и оптико-физической (эксергетической) метрологий. Световая
энергия представляет собой ту часть общей энергии ОСИ, которая вызывает зрительное
ощущение. Она равна световому потоку, умноженному на время его генерации или
поступления к объекту освещения. Эта величина тождественна свободной энергии Гиббса
или эксергии. Известно, что 683 Лм светового потока соответствуют 1 Вт потока излучения
с длинной волны 555 нм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности
глаза человека при дневном зрении. Другими словами явно прослеживается
энергосодержание такого информационного явления как свет.
Раскрыть причинно-следственную зависимость
(детерминизм) этих метрологий, характеризующих две различных субстанции
природы: информацию и энергию, их энергоинформационное единство – можно на
основе принципа энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной
эволюции (ПЭЭС и ПЭ).
В [4] выявлена обоснованность общей
энергоэкономной направленности всех этапов прогрессивной эволюции
самоорганизующейся природы (физико-химической, биологической, социальной). Это
дает основание количественно оценивать ценность генетической информации через
показатель энергоэкономности ее носителя. Энергоэкономная общая направленность
эволюции следует из определения закона выживания (ЗВ). В соответствии с ЗВ
каждый элемент самоорганизующейся природы в своем индивидуальном, эволюционном
развитии самопроизвольно устремлен к состоянию наиболее полного, эффективного использования
в существующих условиях доступной свободной энергии системой того трофического
уровня, в которую он входит.
Сущность ЗВ противоположна сущности ВНТ. ВНТ не является
самостоятельным законом, и приложим только к несамоорганизующимся (равновесным)
объектам. Самоорганизующиеся природные объекты, особенно живые, можно объяснить
только на основе ЗВ. ВНТ и ЗВ образуют в виде зеркальной динамической симметрии
ПЭЭС и ПЭ.
Принцип
энергоинформационного единства заключается в том, что энергетический и
информационный механизмы должны быть комплементарны. То есть иметь взаимное
соответствие и дополнение при образовании целого единого механизма, функционирование
которого должно быть направлено на максимальное использование свободной
доступной части энергии – эксергии, согласно ПЭЭС и ПЭ направленности развития
процессов и структур анализируемых объектов. При этом эффективность информации
и энергоэффективность её носителя (КПД оператора) взаимоопределены одной и той же
её оптимальной величиной.
ОСИ это
оператор энергоинформационной системы, который выступает в двух ипостасях: в
виде информационного механизма и объекта энергообеспечения для достижения
некоторой цели. Суть содержания оператора заключается не только в вопросе, что
делать для достижения цели, но и как с максимальной вероятностью это делать.
Если допустить, что энергия ОСИ многогранна по своему составу:
тепловая, фотоэлектрическая, световая, фотосинтезная и каждый вид энергии может
быть выделен в рамках своей эксергии, то есть той её части, которая может быть
преобразована в нагрев, электричество или энергию углеводородного источника
(растений). При этом видимая световая часть от 380 до 780 нм объединяет все виды, поскольку спектрально полностью или
частично обеспечивает каждую из этих эксергий. Так максимальная спектральная
чувствительность кремния соответствует диапазону длин волн 700…800 нм,
спектральная эффективность фотосинтеза соответствует диапазону 310…750 нм.
В соответствии с принципом энергоинформационного
единства критерием эффективности информации при достижении цели принимается
максимальное использование свободной доступной энергии согласно ПЭЭС и ПЭ. В
качестве числовой характеристики критерия может быть использован энергетический
КПД носителя информации – света. Эффективность информации – A определяется как отношение ценности информации – C к её количеству – B в данной системе.
Чем ценнее полученная информации и эффективнее её работа, тем выше
вероятность P достижения цели.
В свою очередь по энергоэффективности
(КПД) функционирования носителя информации можно количественно оценить ценность
(качество) информации прогрессивно эволюционирующей системы.
Ценность информации есть функция
нормированного приращения вероятности действия информации при достижении цели,
где за базовую величину принято максимальное приращение вероятности от
первоначальной вероятности p:
.
Существует функциональная зависимость C(B), которая в [18] определена монотонно возрастающей кривой.
Если взять производную C(B) по B, то получим функцию эффективности информации от её
количества. График функции имеет максимум в точке соответствующей наибольшей
крутизне C(B) и две ниспадающих ветви. То есть существует некоторое
оптимальное количество информации – Bo, где её эффективность максимальна.
Поэтому можно предположить,
что КПД увеличивается с ростом эффективности информации A, то есть, пропорционален эффективности этой информации.
При этом положения максимальных значений кривых КПД носителя информации и её эффективности на оси абсцисс должны
совпадать, то есть оба максимума должны приходиться на одни и те же значения
количества информации, равные её оптимальной величине B = Bo.
Энергоэффективность
прогрессивно эволюционирующих природных систем повышается благодаря повышению
ценности информации содержащейся в них и снижению энергоемкости её содержания и
функционирования, а также совершенствования получения и рецепции информации из
внешней среды. В этом заключается энергоинформационное
единство метрологий ОСИ – концептуальной основы создания эффективных
преобразователей этого излучения.
Был разработан прибор, позволяющий
непосредственно измерять как эксергию ОСИ в растениеводстве, так и тепловую и
фотоэлектрическую эксергию, где в
качестве измерительного элемента был использован кремниевый фотоэлемент. Выбор
такого измерительного элемента обеспечивает совпадение его спектральной
относительной чувствительности с требуемыми распределениями. Так для измерения
прибором тепловой и фотосинтезной энергии солнечного излучения в приборе
предусмотрен вычислительный блок, в который введены значения функции распределения
энергии суммарного излучения у поверхности земли и относительная спектральная эффективность фотосинтеза.
Список
литературы.
1.
Тиходеев П.М. Световые
измерения в светотехнике. Изд. второе, М. – Л.: Гос. энерг. изд., 1962.
2.
Планк М. Избранные
труды. М.: Наука, 1975.
3.
Дирак П.А.М.
Воспоминания о необычайной эпохе. Сборник статей. М.: Наука, 1990.
4.
Свентицкий И.И.
Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. М.:
ГНУ ВИЭСХ, 2007.
5.
Мешков В.В. Основы
светотехники. Ч. II. М.: Госэнергоиздат, 1961.
6.
Тимирязев К.А. Избранные
сочинения. Т. I. М.: ОГИЗ–СЕЛЬХОЗГИЗ, 1948.
7.
Ничипорович А.А. Об
измерении оптического излучения в физиологии и экологии растений,
агрометеорологии и растениеводстве // Физиология растений. Т. 7. 1960.
8.
Свентицкий И.И. а) К
вопросу об оценке оптического излучения в растениеводстве // Вестник с/х науки.
1967. № 9. С. 103-107. б) Способ оценки действия оптического излучения на растения
// БИ. 1959. № 23. А.С. № 124669.
9.
От редакции //
Светотехника. № 4. 1972, с. 25.
10.
ОСТ 60.689.027–74
Минэлектротехпром СССР. Фотосинтетически эффективные источники излучения. М.,
1974.
11.
Свентицкий
И.И., Георгиев Г.Д., Глогов Л.В., Мудрик В.А. Методологические аспекты фитофотометрии // Фитофотометрия и ее
приложения. Пущино: НЦБИ АН СССР, 1986. С. 5 – 29.
12.
Об эффективных величинах
и единицах // Светотехника. 1981. № 9. С. 19-22.
13.
ОСТ 46.140–83 Минсельхоз
СССР. Излучение оптическое. Оценка фотосинтезной эффективности. Термины и
определения. М.: МСХ СССР, 1983.
14. Deutsche normen
DIN/5031,Teil 10. Strahlungs physic in optischen Bericht und Lichttechnik. Grossen, Formel- und Kurzzeichen
fur photobiologisch wirksame Strahlung. Berlin, 1979.
15. Обыночный А.Н., Свентицкий
И.И. Энергетическая экстремальность
самоорганизации и решение проблем равновесной термодинамики // Всероссийский
симпозиум “Современные проблемы неравновесной термодинамики и эволюции сложных
систем”, посвященный памяти И.Р. Пригожина. М.: МАКС Пресс, 2004. С. 20.
16. Petela R. Exergy of
undiluted thermal radiation // Solar Energy. 74 (2003) 46988.
17. Candau Y. On the
exergy radiation // Solar Energy. 75 (2003). P. 241-247.
18.
Корогодин В.И.
Информация и феномен жизни. Пущино, Пущинский научный центр АН СССР, 1991.