مروری بر نگاه ترمودینامیکی به بیلان آب با تأکید بر انتروپی و اصل تولید حداکثر انتروپی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای آبخیزداری، گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 استاد، گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

چکیده

در نگاه ترمودینامیکی به چرخه هیدرولوژی، این چرخه از طریق فرایندهای ترمودینامیک به سوی وضعیت غیرتعادلی ترمودینامیکی و تولید حداکثر انتروپی پیش می‌رود. لذا امکان شناخت و توصیف آن از طریق محاسبه نرخ تولید انتروپی و اصل تولید حداکثر انتروپی (MEP) وجود دارد. بر طبق اصل MEP اگر در یک سیستم به اندازه کافی درجه آزادی وجود داشته باشد، آن سیستم وضعیت پایدار را اتخاذ خواهد کرد، به‎طوری که تولید انتروپی در آن تحت محدودیت‌های موجود حداکثر می‏شود. اصل MEP می‎تواند به برآورد مؤلفه‎ها و پارامترهای هیدرولوژیکی در حوزه آبخیز بدون نیاز به شناخت تفصیلی مشخصات سیستم کمک نماید. با توجه به اهمیت این موضوع در علم مدل‎سازی هیدرولوژیکی و کمبود منابع فارسی در این زمینه، مطالعه حاضر با استفاده از منابع علمی معتبر چرخه هیدرولوژی را با نگاه ترمودینامیکی مورد بررسی قرار می‌دهد. در این مطالعه چرخه هیدرولوژی به عنوان یک سیستم ترمودینامیکی مورد توجه قرار می‎گیرد و نحوه محاسبه نرخ تولید انتروپی توسط هر یک از مؤلفه‎‌های بیلان آب ذکر می‏شود. هم‎چنین، نحوه برآورد مؤلفه‌های هیدرولوژیکی با استفاده از اصل MEP در خلال یک مثال ساده بیان می‎شود. به‎طور کلی، اصل MEP نویدی بزرگ است برای شناخت بهتر فرآیندهای هیدرولوژیکی درون سیستم زمین و توسعه مدل‌ها بر اساس ترمودینامیک غیرتعادلی.

کلیدواژه‌ها


 
احمدپور، ع.، میرهاشمی، س.ح.، و حقیقت‌جو، پ.، (1398)، "پیش‌بینی رواناب روزانه در حوضه مارون با استفاده از مدل “HEC-HMS، علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 4(1)، 4-13.
قویدل رحیمی، ی.، (1386)، "نظریه گایا و شکل‌گیری نگرش‌های نو در علوم محیطی"، محیط‎شناسی، 33(41)، 55-84.
Dyke, J., and Kleidon, A., (2010), “The maximum entropy production principle: Its theoretical foundations and applications to the earth system”, Entropy, 12(3), 613-630.
Hildebrandt, A., Kleidon, A., and Bechmann, M., (2016), “A thermodynamic formulation of root water uptake”, Hydrology and Earth System Sciences, 20(8), 3441-3454.  
Kleidon, A., and Renner, M., (2013), “Thermodynamic limits of hydrological cycling within the earth system: concepts, estimates and implications”, Hydrology and Earth System Sciences, 17(7), 2872-2892.
Kleidon, A., (2008), “Entropy production by evapotranspiration and its geographic variation”, Soil and Water Research, 3(S1), 89-94.
Kleidon, A., (2009), “Non-equilibrium thermodynamics and maximum entropy production in the earth system”, Naturwissenschaften, 96(6), 1-25.
Kleidon, A., (2010), “A basic introduction to the thermodynamics of the earth system far from equilibrium and maximum entropy production”, Philosophical Transactions of the Royal Society, 365(1545), 1303-1315
Kleidon, A., (2020), “Understanding the earth as a whole system: from the Gaia hypothesis to thermodynamic optimality and human societies”, arXiv preprint arXiv:2005.09216.
Kleidon, A., Malhi, Y., and Cox, P.M., (2010), “Maximum entropy production in environmental and ecological systems”, Philosophical Transactions of the Royal Society, 365(1545), 1297-1302
Kleidon, A., and Schymanski, S., (2008), “Thermodynamics and optimality of the water budget on land: A review”, Geophysical Research Letters, 35(20), 1-6
Kleidon, A., Schymanski, S., and Stieglitz, M., (2009), “Thermodynamics, irreversibility, and optimality in land surface hydrology”, In: Bioclimatology and Natural Hazards, 107-118, Springer, Dordrecht.
Martyushev, L.M., and Seleznev, V.D., (2006), “Maximum entropy production principle in physics, chemistry and biology”, Physics Reports, 426(1), 1-45.
Porada, P., Kleidon, A., and Schymanski, S.J., (2011), “Entropy production of soil hydrological processes and its maximization”, Earth System Dynamics, 2(2), 179-190.
Schymanski, S., (2011), “Optimality theory: A path to calibration-free models?”, Geography Research Abstract, 13, EGU2011-6872.
Schymanski, S.J., (2008), “Optimality a concept to understand and model vegetation at different scales”, Geography Compass, 2(5), 1580-1598
Westhof, M.C., Zehe, E., and Schymanski, S.J., (2014), “Importance of temporal variability for hydrological predictions based on the maximum entropy production principle”, Geophysical Research Letters, 41(1), 67-73.
Westhoff, M., Kleidon, A., Schymanski, S., Dewals, B., Nijsse, F., Renner, M., Dijkstra, H., Ozawa, H., Savenije, H., Dolman, H., Meesters, A., and Zehe, E., (2019), “ESD Reviews: Thermodynamic optimality in Earth sciences, The missing constraints in modeling Earth system dynamics?”, Earth System Dynamics Discussions, 1-31.
Westhoff, M. C., and Zehe, E., (2013), “Maximum entropy production: Can it be used to constrain conceptual hydrological models?”, Hydrology and Earth System Sciences, 17(8), 3141-3157.
Zehe, E., Ehret, U., Blume, T., Kleidon, A., Scherer, U., and Westhoff, M. (2013). “A thermodynamic approach to link self-organization, preferential flow and rainfall-runoff behavior”, Hydrology and Earth System Sciences, 17(11), 4297-4322.
Zehe, E., Loritz, R., Jackisch, C., Westhoff, M., Kleidon, A., Blume, T., Hasler, S.K., and Savenije, H.H., (2019). “Energy states of soil water, A thermodynamic perspective on soil water dynamics and storage-controlled streamflow generation in different landscapes”, Hydrology and Earth System Sciences, 23(2), 971-987.
Zhao, J., Wang, D., Yang, H., and Sivapalan, M., (2016). “Unifying catchment water balance models for different time scales through the maximum entropy production principle”, Water Resources Research, 52(9), 7503-7512.