Базальтовые многогранные столбы, как самоорганизация в неравновесных системах
Базальтовые столбы — один из видов базальта, который в поперечном разрезе представляет собой форму от 4- до 7- и даже 8-гранных. Имеют свойство давать прямой ровный скол. Толщина столбов колеблется от 0,6 до 1,2 м. Зачастую встречаются базальтовые столбы толщиной 0,8—1,0 м и высотой — 3—30 м. В идеальном случае базальтовый столб представляет собой равностороннюю шестиугольную призму с тремя парами параллельных граней.
На Земле имеется не так много мест, обладающих такими интересными геологическими особенностями. Например:
1. Ирландия - Дорога гигантов (Giants Causeway)
2. США (Дакота ) - Чертова башня или Дэвилс Тауэр
3. Микронезия - Каменный город Нан-Мадол, островов Понапе, Каролинские острова.
4.Шотландия - Фингалова пещера. Остров Стаффа – один из Внутренних Гебридских островов.
5. Калифорния - Выходы базальта.
6. Россия - Курильские острова - Мыс Столбчатый, остров Кунашир.
7. Украина - Заказник «Базальтовые столбы».
8. Армения - Ущелье Гарни.
9. Япония - Ущелье или каньон Такачихо.
10. Исландия - Свартифосс , Национальный парк «Ватнаекуль».
11. Индия - Остров Сент-Мэри.
12. Вьетнам - Ganh Da Dia.
13. Тайвань - Пескадорские острова.
14. Чехия - Панская скала у Каменицки-Шенова.
Ученые установили, что подобные колонны образуются, когда стремительно выброшенная вверх лава, медленно остывая, кристаллизуется и принимает вот такую своеобразную форму.
Если говорить более подробно, то столбчатая отдельность является проявлением трехмерной сети трещин, которая образуется при остывании лавовых потоков, силлов, даек и других малоглубинных интрузий. 
Породы, по которым образуется столбчатая отдельность, могут быть произвольного состава, но чаще всего это базальты и долериты. При быстром остывании лавовых потоков или маломощных интрузий образуется ячеистая система напряжений, которая направлена перпендикулярно поверхности (или по максимальному температурному градиенту). В направлении этих напряжений затем развиваются линейные трещины, которые и образуют столбчатую отдельность. Иногда столбы сужаются к верхней части потока, образуя колоннаду. Возможно, это связано с различной скоростью остывания верхней и нижней частей потока.
Американские исследователи Горинг и Моррис из Торонто проверили эту гипотезу весьма оригинальным способом. А именно посредством крахмала, воды и паяльной лампы. Меняя режимы нагревания смеси крахмала с водой, ученые заставили засыхать его с разной скоростью. И в результате получили почти такие же колонны и плиты, что и в природе, только из кукурузного крахмала, и меньшего масштаба. Как пишут исследователи в своем отчете, чем медленней остывает смесь (в реальной жизни - лава), тем крупнее получаются плиты или столбы. Наряду с шестигранниками они получали и восьмигранники и другие структуры. То есть количество граней в них может меняться в зависимости от скорости остывания или высыхания.
Авторы исследования (его детали можно найти в пресс-релизе университета Торонто) утверждают, что найденный ими коэффициент, связывающий скорость остывания (или высыхания) позволяет предсказывать размер ячеек и в других похожих процессах, вроде высыхания корки грязи или растрескивания слоя вечной мерзлоты.
Итак, как мы видели, ученые установили, что колонны шестигранной формы появляются при остывании магмы, когда температурный градиент достигает определенной величины. Однако это совсем не объясняет, почему колоны в вертикально плоскости обладают формой правильного многогранника, почему остывающая магма лишь иногда создает такую удивительную форму колонн, тогда как в большинстве случаев интрузии имеют, как правило, неправильную форму, почему возникают колонны, а не кубики или призмы и т.д.
Чтобы понять, как происходит образование столь удивительного природного феномена, обратимся к экспериментальным данным, которые устанавливают причины возникновения порядка из хаоса.
Обратимся к такому интересному физическому явлению, как ячейки Бенара, образующиеся в жидких средах. С этих ячеек начинал изучать процессы самоорганизации Пригожин. Ячейками Бенара называются конвективные ячейки, образующиеся в слое подогреваемого масла. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников.
Эксперимент с силиконовым маслом, разлитым на плоской горячей поверхности, демонстрирует строго регулярную пространственную структуру с периодичностью, кратной толщине жидкого слоя. На фотографии видны выходящие из центра и сходящиеся по сторонам шестигранника конвективные потоки масла. На границах соприкасающихся сторон в местах стекания сформированы затененные каналы, свидетельствующие о том, что боковая поверхность тороида криволинейная и не имеет скачкообразных переходов.
Удивительные шестигранные ячейки появлялись на поверхности масла в тот момент, когда разница температур между верхним и нижним слоем достигала определенной величины. Впервые такую картину наблюдал Бенар, поэтому явление получило название ячейки Бенара.
Турбулентность в виде ячеек Бенара часто встречается в природе. Высохшие озера, солончаки и другие явления являются результатами конвективных процессов, сопровождающих высыхание приповерхностных зон. Также, например, поток теплого воздуха, идущий от поверхности земли вверх, может образовывать завихрения в виде шестиугольников, которые оставляют свои отпечатки на песчаных барханах в пустыне и в снежных полях Арктики.
Порядок из хаоса
Образование шестигранных колонн, которые мы рассмотрели выше, является типичным примером образования порядка из хаоса, поскольку чаще всего магма изливается в виде хаотичных потоков, которые сплошь и рядом покрывают землю. Самопроизвольное проявление внутри застывающей магмы фигур правильной формы хоть и появляется на планете, но является все-таки очень редким явлением. Вообще, надо сказать, самопроизвольные процессы для ученых представляют собой одну из любопытнейших тайн природы. Поэтому современная наука целенаправленно изучает природные процессы, которые происходят сами по себе. Однако, как правило, самопроизвольно происходят только те процессы, которые идут с разрушением структуры, т.е. распад атомного ядра, расщепление сложных молекул на простые и т.д. Именно такие процессы явления являются самопроизвольными и необратимыми.
Другим примером подобных процессов является остывание горячих тел, тогда как нагревание их самопроизвольно происходить не может; прыгающий мяч, в конце концов, останавливается, однако покоящийся мяч самопроизвольно не начнет подскакивать. Природа необратимых явлений, которые самопроизвольно могут протекать только в одну сторону и никогда в другую, также до сих пор остается загадочной. Поэтому, когда обнаружились процессы, которые могут самопроизвольно создавать упорядоченные структуры, то это, естественно, не могло остаться без внимания.
Впервые на такие явления обратил внимание создатель новой, неравновесной термодинамики И. Пригожин. Он изучал процессы по самоорганизации вещества в разнообразных хаотичных системах. Причем появление такой спонтанной самоорганизации Пригожин объяснял, прежде всего, флуктуациями в неравновесных незамкнутых системах, где флуктуацией, по его определению, является случайное отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения (см. книгу И.Пригожина «Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядочению через флуктуации»). Работы И. Пригожина по теории необратимых процессов в открытых неравновесных системах были удостоены Нобелевской премии по химии за 1977 год.
