CC BY
8УДК 631.589-021.58:004:621.3
ТРЕТИЙ ПРИНЦИП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭКСТРЕМАЛЬНОСТИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В УПРАВЛЯЕМЫХ ЗАКРЫТЫХ ИСКУСТВЕННЫХ АГРОЭКОСИСТЕМАХ (ЗИАЭС)
А.С. Дорохов, А.П. Гришин, А. А. Гришин
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»
Аннотация. Во введении отмечается, что главный процесс, изучаемый аграрной и экологической наукой - преобразование энергии живыми самоорганизующимися эволюционирующими организмами и их сообществами.
Общий принцип естествознания, образуемый Закона выживания и Второго начала термодинамики, назван принципом энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции (ПЭЭС и ПЭ) Этот принцип отражает прогрессивную направленность эволюции всей самоорганизующейся природы. Важный результат циклического прохождения вещества и энергии природы через самоорганизованное и равновесное состояние - процесс прогрессивной эволюции природы.
Убедительным доказательством, подтверждающим ПЭЭС И ПЭ, является самоорганизующийся диссипативный процесс испарительного охлаждения (СПИО) - транспирации, как физиологический процесс в растениях, обеспечивающий температурный оптимум максимальной скорости фотосинтеза, то есть такой температуры, при которой растение наиболее полно, максимально эффективно использует свободную для фотосинтеза часть солнечного излучения - фотосинтезную эксергию.
Отмечено, что цель исследований - экспериментально показать энергетическую целенаправленность СПИО согласно ПЭЭС и его влияние на продуктивность в растениеводстве. Далее приведены результаты исследования из предыдущих работ []
В разделе объект и методы исследований рассмотрен СПИО культуры «земляника садовая» и его самоорганизующегося влияния на продуктивность.
В качестве основного показателя используется масса испаряемой воды с поверхности листа земляники под действием СИ красно-синего спектра и без него. Это позволило получить два, для сравнения, крайних режима, при освещенности и без неё косвенным
методом через расчет массы листьев. Кроме того, измерялись и фиксировались: температура воздуха, влажность субстрата, освещенность.
В разделе результаты исследований и их обсуждение, отмечено, что температуру листа равную 25,4 °С можно считать постоянной и равной оптимальной для максимума фотосинтеза. Показано, что анализ уравнения линий трендов временных рядов изменений массы листьев видим, что линии имеют положительные коэффициенты при параметре «время», то есть в обоих режимах идет рост массы листьев, но при освещении коэффициент на порядок больше, а значит рост идет быстрее. Это подтверждает и общий прирост массы за 27 часов: для режима с освещением он больше почти в 18 раз. В разделе заключение утверждается: получено экспериментальное подтверждение правомерности ПЭЭС и ЗВ.
Ключевые слова: энергетическая экстремальность, цифровые технические системы, закрытая искусственная агроэкосистема.
Введение
В предыдущей статье было дано описание первого и второго принципов построения цифровых технических систем в закрытых искуственных агроэкосистемах (ЗИАЭС). Рассмотрим третий. Первый принцип является основополагающим: так или иначе прослеживается в остальных.
Главный процесс, изучаемый аграрной и экологической наукой - преобразование энергии живыми самоорганизующимися эволюционирующими организмами и их сообществами. Для построения теоретических основ агроэкологии из важных положений физики можно было бы использовать основной закон преобразования энергии - второе начало термодинамики (ВНТ), а из биологии -теорию биологической эволюции.
Однако по ВНТ структуры разрушаются, энергия деградирует, а энтропия повсеместно и непрерывно возрастает, а по теории биологической эволюции структуры и функции организмов совершенствуются, свободная энергия в живых системах самопроизвольно возрастает.
В этом противоречии и состояло главное принципиальное затруднение развития теоретических основ аграрных знаний и экологии и естественнонаучных основ сельскохозяйственного природопользования.
В [1] обоснован закон выживания (ЗВ), по которому каждый элемент самоорганизующейся природы в своем развитии (онтогенез, филогенез) самопроизвольно устремлен к состоянию наиболее полного, эффективного использования в существующих условиях
доступной свободной энергии системой трофического уровня, в которую он входит и, разрешено упомянутое противоречие.
Общая прогрессивная направленность эволюции самоорганизующейся природы определяется ЗВ. Утилизация прекративших самоорганизованное существование объектов природы происходит в соответствии с ВНТ. ЗВ проявляется в самоорганизующихся явлениях как физико-химической, так биологической и социальной природы, а ВНТ - только в не самоорганизующихся (равновесных) системах и процессах.
ЗВ и ВНТ не являются самостоятельными законами, они жестко взаимосвязаны, образуя зеркальную динамическую во времени симметрию. Общий принцип естествознания, образуемый ЗВ и ВНТ, назван принципом энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции (ПЭЭС и ПЭ) [1].
Этот принцип отражает прогрессивную направленность эволюции всей самоорганизующейся природы, включая человеческое общество как её часть. Важный результат циклического прохождения вещества и энергии природы через самоорганизованное и не самоорганизованное (равновесное) состояние - процесс прогрессивной эволюции природы.
Поскольку всякая самоорганизующаяся живая структура стремится в своем развитии максимально использовать свободную доступную энергию и перейти на более упорядоченный уровень с меньшей энтропией и большей информацией, то и растения можно отнести к таким структурам.
Убедительным доказательством, подтверждающим ПЭЭС И ПЭ, является самоорганизующийся диссипативный процесс испарительного охлаждения (СПИО) - транспирации, как физиологический процесс в растениях, обеспечивающий температурный оптимум максимальной скорости фотосинтеза, то есть такой температуры, при которой растение наиболее полно, максимально эффективно использует свободную для фотосинтеза часть солнечного излучения - фотосинтезную эксергию.
Напомним, что в системе формирования продуктивности растений в качестве переменной порядка принят приток к растениям энергии оптического излучения, точнее, той ее части, которая потенциально пригодна для фотосинтеза и используется растениями на формирование продуктивности. Эта величина названа эксергией светового излучения (СИ) для растениеводства и представляет собой теоретический предел продуктивности растений и одновременно плодородия земельного угодия. В качестве параметров управлений в ЗИАЭС приняты все иные экологические факторы, ограничивающие формирование продуктивности растений [1].
Нагрев листа в зависимости от прихода суммарной энергии светового излучения (СИ) - Е происходит в процессе преобразования в тепловую энергию той её части, которая является тепловой эксергией СИ - Эт. В случае теплового преобразования энергии солнечного излучения, её нагревательную способность можно определить методом графического интегрирования выражения:
= кй с йМг,
(1)
ч Л
где ф(Х)с - распределение энергии суммарного излучения у поверхности земли, кп - коэффициент поглощения. Коэффициент кп равен единице при поглощающей способности поверхности приемной части излучения близкой или равной аналогичному показателю абсолютно черного тела [3].
Именно эта величина тепловой эксергии и должна быть скомпенсирована в процессе испарения воды с поверхности листа и снижения температуры на величину АТо.
Итак, основное назначение СПИО заключается в снижении температуры листа растения - <л, воспринимающего суммарную энергию светового излучения - и приближении её к
температурному оптимуму фотосинтеза - <„, что в свою очередь направлено на достижение максимальной продуктивности или урожая [5,6]. Снижение температуры листа на величину разности двух значений температур - АТо = 1л - Ьа обеспечивает увеличение скорости фотосинтеза и с одновременным попутным накоплением и расходованием во время испарения дополнительной эксергии теплоты АеТ, которая и обуславливает энергетический градиент ПИО.
Количество охлаждающей воды за некоторый период времени определяется выражением [6,7]:
л (гл - к )иЛСЛ
Ят =-, (2)
Гв
где Мл - общая масса листьев, Сл - удельная теплоемкость массы листьев, гв - удельная теплота испарения воды.
Учитывая, что числитель выражения (2) определяет теплоту регулируемого СПИО нагрева листа с последующим испарением воды, то этот процесс является неравновесным фазовым переходом в открытой нелинейной динамической системе терморегулирования растения, которая получает из внешней среды энергию в виде тепловой эксергии СИ, являющейся переменной порядка самоорганизующегося процесса транспирации [8]. При этом
параметром управления самоорганизующегося процесса транспирации будет расход транспирации и параметры других сопутствующих процессов [9, 10].
Таким образом, выражение для самоорганизующегося ПИО в виде взаимосвязи переменной порядка и параметра управления можно записать в виде:
Х2=2000
\ф(Л)К (Л)т с Утгв. (3)
^=300
Эта зависимость определит экстремальную энергетическую целенаправленность СПИО согласно ПЭЭС.
Цель исследований - экспериментально показать энергетическую целенаправленность СПИО согласно ПЭЭС и его влияние на продуктивность в растениеводстве. Далее приведем результаты исследования из предыдущих наших работ [11].
Объект и методы исследований
В качестве объекта исследований рассмотрим СПИО культуры «земляника садовая» и его самоорганизующегося влияния на продуктивность.
В качестве основного показателя используется масса испаряемой воды с поверхности листа земляники под действием СИ красно-синего спектра и без него. Это позволяет получить два, для сравнения, крайних режима: с малой освещенностью около 1 лк и освещенностью Е = 12 клк. Согласно ПЭЭС на поверхности листа в процессе СПИО будет поддерживаться постоянная температура, которая фиксируется пирометрическим термометром.
Корневая система земляники размещена в субстрате из кубика минеральной ваты размером 60х60х60 мм, в который в начале эксперимента добавлена вода в количестве 100 мл и который имеет изоляцию от внешней среды для исключения испарения воды из него. Тем самым созданы условия испарения воды только через растение. Кроме того, измерялись и фиксировались: температура воздуха, влажность субстрата, освещенность. Вся измерительная часть и регистрация данных на микроСБ смонтирована на элементах базы платформы Ардуино.
Оценка продуктивности при освещенности и без её осуществлялась косвенным методом через расчет массы листьев по формуле (2), откуда:
Мл _ ЧТ'Ге . (4)
При измерении температуры нагрева листа без СПИО необходимо было исключить испарение воды с его поверхности
любым доступным способом. При этом измеренная температура составила 30,25 оС.
Фиксация измеряемых параметров производилась через каждые 5 минут в течении 5 суток, однако ввиду большого объёма данных и затруднений при их обработке, были взяты временные ряды с часовыми интервалами.
Исследования проводились в следующей последовательности
[11]:
1. Измеренные значения температуры листа имели случайные отклонения, поэтому после определения матожидания (МО) временной ряд был подвергнут статистической обработке на предмет проверки гипотезы о случайности выборки, то есть об отсутствии существенного смещения от МО методом последовательных разностей. При этом вычисляются значения теоретического и фактического критериев. Если фактический превышает теоретический, то гипотеза считается правдоподобной. Таким образом, получаем подтверждение того, что растение поддерживает температуру листа и химическую реакцию фотосинтеза на постоянном оптимальном температурном уровне.
2. Имея временной ряд значений массы испаряемой воды и временной ряд температуры листа, по формуле (4) находим временной ряд изменения массы листьев для двух режимов: при освещении и минимальной её величины.
3. По временным рядам изменения массы листьев находим линию тренда и по параметрам уравнения линии тренда проводим анализ изменения продуктивности растения.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты исследований сведем в таблицу. Таблица 1 - Результаты исследований_
Характеристика Значения характеристик при действии СИ Значения характеристик с малым СИ
МО температуры листа, 0С 25,4 21,15
Теоретический критерий проверки гипотезы 0,32 0,62
Фактический критерий проверки гипотезы 0,53 0,10
Уравнение линии тренда временного ряда изменения массы листьев ДМл = 0,0021+0,095 ДМл = 0,00021+0,0027
Прирост массы листьев за 27 часов, г 3,04 0,17
Анализируя значения характеристик из таблицы, можно сделать следующие выводы.
Так как значения температуры листа при действии СИ имеет случайные отклонения от МО и все они относятся к одной и той же величине (значение фактического критерия больше значения теоретического критерия), то температуру листа равную 25,4 оС можно считать постоянной и равной оптимальной для максимума фотосинтеза.
Иные результаты мы видим при малом СИ. МО температуры листа имеет меньшую величину, чем оптимальная, значения критериев говорят о том, что остальные величины во временном ряде температуры листа не относятся к вычисленному МО, то есть не являются случайными.
Анализируя уравнения линий трендов временных рядов изменений массы листьев, видим, что линии имеют положительные коэффициенты при параметре «время», то есть в обоих режимах идет рост массы листьев, но при освещении коэффициент на порядок больше, а значит рост идет быстрее. Это подтверждает и общий прирост массы за 27 часов: для режима с освещением он больше почти в 18 раз.
Таким образом, самоорганизующийся ПОИ стабилизирует температуру листа растения на уровне максимума фотосинтеза, позволяя растению, согласно ПЭЭС, максимально использовать свободную доступную часть энергии светового излучения для своего развития и роста, а, следовательно, и выживания.
Заключение.
1. Получено экспериментальное подтверждение правомерности ПЭЭС и ЗВ. Так для культуры «земляника садовая» самоорганизующийся ПОИ стабилизирует температуру листа растения на уровне 25,4 оС, что соответствует максимуму фотосинтеза, позволяя растению, согласно ПЭЭС, максимально использовать свободную доступную часть энергии светового излучения для своего развития, роста и выживания.
2. Продуктивность листовой зеленой массы при этом возросла в18 раз по сравнению с режимом, характеризуемым средней температурой листа 21,15 оС.
Список использованных источников:
1. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. - М.: ГНУ ВИЭСХ 2007.
2. Гришин А.А., Гришин А.П. Самоорганизация процесса транспирации у растений // Энергообеспечение и энергосбережение в
сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике». Часть 2. М.: ВИЭСХ, 2010, с. 90-98.
3. Свентицкий И.И., Гришин А.П. Измерение эксергии солнечного излучения / Доклады РАСХН, том 35, № 6, 2009, с. 60-62.
4. Свентицкий И.И., Боков Г.С., Антонинова М.В. Системный анализ потоков энергии в агроценозах. Методические рекомендации // Биофотометрия и экологическая биоэнергетика. Пущино. Научный центр биологических исследований АН СССР, 1982.
5. Гришин А.П. Повышение эффективности биоконверсии солнечной энергии в растениеводстве // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике». Часть 2. М.: ВИЭСХ, 2010, с. 99-109.
6. Мудрик В.А., Свентицкий И.И. Биоэнергетические аспекты оценки влагообеспеченности растений. Пущино, Пущинский центр биологических исследований АН СССР, 1981.
7. Гришин А.П. Приложения синергетики и эксергетического анализа в растениеводстве // Вестник ГНУ ВИЭСХ. Энергетика и электротехнологии в сельском хозяйстве. Научный журнал. Выпуск 1(4). М: ВИЭСХ, 2009, с. 72-78.
8. Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Результаты исследований влияния биоэнергетических факторов на повышение урожайности в растениеводстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N2. С. 19-25. Б01 10.22314/2073-7599-2018-122-19-25.
9. Гришин А.А., Гришин А.П. Транспирация растений как диссипативный процесс с временной фрактальной структурой // Найновите научни постижения // Материали за 10-а международна научна практична конференция (17-25 март 2014 година, София). Том 27. Селско стопанство. Ветеринарна наука - С.: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2014, с. 44-51.
10. Свентицкий И.И., Гришин А.П. Новые направления исследований в адаптивном растениеводстве // Найновите научни постижения // Материали за 10-а международна научна практична конференция (17-25 март 2014 година, София). Том 27. Селско стопанство. Ветеринарна наука - С.: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2014, с. 3444.
11. Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Результаты исследований приложения ПЭЭС для научной теории продуктивности в искусственных экосистемах. // Инновации в сельском хозяйстве,2018, №3 (28), С. 160-166.
Алексей Семёнович Дорохов, доктор технических наук, чл. корр. РАН, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», dorokhov @ rgau-msha. ru
А.П. Гришин, доктор технических наук, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», [email protected]
А.А. Гришин, кандидат экономических наук, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», [email protected]
THE THIRD PRINCIPLE OF ENERGY EXTREMALITY FOR BUILDING DIGITAL TECHNICAL SYSTEMS MANAGED IN CLOSED ARTIFICIAL AGROECOSYSTEMS (CAAES)
A.S. Dorohov, A.P. Grishin, A A. Grishin
Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Agroengineering Center VIM»
Abstract. The introduction notes that the main process studied by agricultural and environmental science is the transformation of energy by living self-organizing evolving organisms and their communities.
The general principle of natural science, formed by the law of survival and the second law of thermodynamics, is called the principle of energy extremality of self-organization and progressive evolution (PEESO and PE). This principle reflects the progressive direction of the evolution of the whole self-organizing nature. An important result of the cyclic passage of matter and energy of nature through a self - organized and equilibrium state is the process of progressive evolution of nature.
Convincing evidence indicating he worked as and pe, is a self-organizing dissipative process of evaporative cooling (DPEC) -transpiration as a physiological process in plants, providing temperature optimum maximum photosynthesis rate, that is, a temperature at which the plant is most complete, most effectively uses free for photosynthesis part of the solar radiation is photosynthetic exergy.
It is noted that the aim of the research is to show experimentally the energy purposefulness of DPEC according to pees and its impact on productivity in crop production. The following are the results of research from previous works []
In the section object and methods of researches PEESO of culture "strawberry garden" and its self-organizing influence on productivity is
considered.
As the main indicator, the mass of evaporated water from the surface of the strawberry leaf under the action of the red-blue spectrum si and without it is used. This made it possible to obtain two, for comparison, extreme modes, with and without illumination by an indirect method through the calculation of the mass of leaves. In addition, measured and recorded: air temperature, substrate humidity, illumination.
In the section results of researches and their discussion, it is noted that the leaf temperature equal to 25,4 oc can be considered constant and equal optimum for a maximum of photosynthesis. It is shown that the analysis of the equation of trend lines of time series of changes in leaf mass shows that the lines have positive coefficients for the parameter "time", that is, in both modes there is a growth of leaf mass, but when illuminated the coefficient is an order of magnitude greater, which means that the growth is faster. This is confirmed by the total weight gain for 27 hours: for the mode with lighting it is almost 18 times more. In the conclusion it is stated: experimental confirmation of the validity of PEESO and PE is received.
Key words: energetic extreme, the digital technical system, closed artificial agroecosystem.
Bibliography:
1. Sventickij I.I. Energosberezhenie v APK i energeticheskaya ekstremal'nost' samoorganizacii. - M.: GNU VIESKH Ю07.
i. Grishin A.A., Grishin A.P. Samoorganizaciya processa transpiracii u rastenij // Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom hozyajstve. Trudy 7-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Energosberegayushchie tekhnologii v rastenievodstve i mobil'noj energetike». CHast' i. M.: VIESKH, Ю10, s. 90-98.
3. Sventickij 1.1., Grishin A.P. Izmerenie eksergii solnechnogo izlucheniya I Doklady RASKHN, tom 35, № 6, 2009, s. 60-6i.
4. Sventickij I.I., Bokov G.S., Antoninova M.V. Sistemnyj analiz potokov energii v agrocenozah. Metodicheskie rekomendacii // Biofotometriya i ekologicheskaya bioenergetika. Pushchino. Nauchnyj centr biologicheskih issledovanij AN SSSR, 198i.
5. Grishin A.P. Povyshenie effektivnosti biokonversii solnechnoj energii v rastenievodstve // Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom hozyajstve. Trudy 7-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Energosberegayushchie tekhnologii v rastenievodstve i mobil'noj energetike». CHast' i. M.: VIESKH, Ю10, s. 99-109.
6. Mudrik V.A., Sventickij I.I. Bioenergeticheskie aspekty ocenki vlagoobespechennosti rastenij. Pushchino, Pushchinskij centr
biologicheskih issledovanij AN SSSR, 1981.
7. Grishin A.P. Prilozheniya sinergetiki i eksergeticheskogo analiza v rastenievodstve // Vestnik GNU VIESKH. Energetika i elektrotekhnologii v sel'skom hozyajstve. Nauchnyj zhurnal. Vypusk 1(4). M: VIESKH, 2009, s. 72-78.
8. Grishin A.P., Grishin A.A., Grishin V.A. Rezul'taty issledovanij vliyaniya bioenergeticheskih faktorov na povyshenie urozhajnosti v rastenievodstve // Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii. 2018. T. 12. N2. S. 19-25. DOI 10.22314/2073-7599-2018-122-19-25.
9. Grishin A.A., Grishin A.P. Transpiraciya rastenij kak dissipativnyj process s vremennoj fraktal'noj strukturoj // Najnovite nauchni postizheniya // Materiali za 10-a mezhdunarodna nauchna praktichna konferenciya (17-25 mart 2014 godina, Sofiya). Tom 27. Selsko stopanstvo. Veterinarna nauka - S.: «Byal GRAD-BG» OOD, 2014, s. 44-51.
10. Sventickij I.I., Grishin A.P. Novye napravleniya issledovanij v adaptivnom rastenievodstve // Najnovite nauchni postizheniya // Materiali za 10-a mezhdunarodna nauchna praktichna konferenciya (17-25 mart 2014 godina, Sofiya). Tom 27. Selsko stopanstvo. Veterinarna nauka - S.: «Byal GRAD-BG» OOD, 2014, s. 34-44.
11. Grishin A.P., Grishin A. A., Grishin V.A. Rezul'taty issledovanij prilozheniya PEES dlya nauchnoj teorii produktivnosti v iskusstvennyh ekosistemah. // Innovacii v sel'skom hozyajstve,2018, №3 (28), S. 160-166.
