Рост биоконвективных структур в однородной суспензии гиротактических микроорганизмов

Биоконвекцией называют конвективные движения, формирующие структуры в суспензиях плавающих микроорганизмов. Гиротаксис описывает направленное плавание, обусловленное балансом физических моментов, создаваемых вязким сопротивлением и гравитацией, действующими на несимметричное распределение массы внутри организма. Если организмы тяжелее в задней части, гиротаксис переориентирует их так, что они плывут к областям наиболее быстрого нисходящего потока. Благодаря гиротаксису биоконвективная неустойчивость может развиваться изначально однородной суспензии без неустойчивой стратификации плотности. В статье предложена и обсуждается континуальная модель суспензий гиротактических микроорганизмов; в частности, учитывается, что рассматриваемые организмы имеют несферическую форму, поэтому их ориентация определяется не только завихренностью, но и скоростью деформации окружающего потока. С помощью этой модели анализируется линейная неустойчивость однородной суспензии. Показано, что суспензия неустойчива, если волновое число возмущения меньше критического значения; это значение, как и волновое число наиболее быстро растущего возмущения, вычисляется явно. Предсказывается, что возникающая конвективная структура будет трехмерной, то есть будет изменяться как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, если клетки достаточно вытянуты. Приведены численные результаты для суспензий определенного вида водорослей — Chlamydomonas nivalis; предсказанная длина волны наиболее быстро растущего возмущения в 5–6 раз больше длины волны стационарных структур, наблюдаемых в экспериментах. Основные причины этого расхождения, вероятно, заключаются в том, что анализ описывает начало конвекции, а не конечное нелинейное стационарное состояние, и что экспериментальный слой жидкости имеет конечную глубину.