2次元BZ反応を捉えた動画像からの濃度・パラメータの抽出とその信頼性評価

从捕获二维 BZ 反应的视频图像中提取浓度和参数并评估其可靠性

基本信息

批准号：
07750516
负责人：
野村厚志
金额：
$ 0.64万
依托单位：
Yamaguchi Prefectural University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

化学反応の一種であるBelousov-Zhabotinsky(BZ)反応では、反応にかかわる化学種が、時間・空間において多様な濃度パターンを作る。この反応の素過程と化学種の拡散現象から導かれる、化学種の濃度に関する2変数の偏微分方程式(反応・拡散系モデル)は、2変数Oregonatorモデルと呼ばれている。このモデルを数値実験して得られるパターンは、現実のBZ反応の実験で得られる時空間パターンとよく一致することが知られている。従来BZ反応においては、円形の波が伝播するターゲットパターン、渦巻状の波が伝播するスパイラルパターンなどが良く知られていた。近年、いくつかの他の化学反応において、局在化する波のパターンが観測された。これらは、Turingの予測した条件(Turingの不安定条件)下で存在し得ることが予測されていた。これらの局在化パターンの発見に伴い、Turingの不安定条件が注目されている。本研究では、BZ反応の2変数Oregonatorモデルに基づき、Turingの不安定条件を実現し、モデルの初期条件を変えて数値実験を行った。1次元の数値実験では、既にTuringの不安定条件下で観測されると予測されている局在化パターンの他にも、波の幅が周期的に振動する脈動波、伝播速度が極端に変動する波、1つの波が次々と分裂していく自己複写波、領域の境界で反射する波、そして濃度が徐々に減少しながら伝播する波など、従来のBZ反応の実験では観測されていなかった多様な波のパターンを発見した。また2次元の数値実験においても、あたかも生物の細胞分裂のように波が次々と分裂し伝播する自己複写波を観測した(国際会議:"3rd Experimental Chaos Conference,August 1995,UK"にて発表)。よって、従来のBZ反応の数値実験ではほとんど考慮されていなかった初期条件によって、Turingの不安定条件下では上述のような多様なパターンを生み出すことが本研究で確認された。

在别洛乌索夫-扎博廷斯基 (BZ) 反应（一种化学反应）中，参与反应的化学物质在时间和空间上产生不同的浓度模式。由该反应的基本过程和化学物质的扩散现象导出的化学物质浓度的二变量偏微分方程（反应/扩散系统模型）称为二变量Oregonator模型。众所周知，使用该模型从数值实验中获得的模式与从实际 BZ 反应实验中获得的时空模式非常匹配。在传统的BZ反应中，传播圆形波的靶图案和传播螺旋波的螺旋图案是众所周知的。最近，在其他几种化学反应中也观察到了局部波模式。据预测，这些在图灵所预言的条件下（图灵不稳定条件）都可能存在。随着这些定位模式的发现，图灵的不稳定条件引起了人们的关注。本研究基于BZ反应的二变量Oregonator模型实现了图灵不稳定条件，并通过改变模型的初始条件进行了数值实验。除了预测在图灵不稳定条件下观察到的局域模式外，一维数值实验还显示出具有周期性振荡的波宽度和传播速度极其可变的波，其传播是一种波分裂的自我复制波。我们发现了在传统的 BZ 反应实验中未曾观察到的各种波模式，例如在区域边界处反射的波以及随着浓度逐渐降低而传播的波。此外，在二维数值实验中，我们观察到自我复制波，其中波一次又一次地分裂和传播，就像生物体中的细胞分裂一样（在1995年8月于英国举行的第三届实验混沌会议上发表）。因此，本研究证实，在BZ反应的常规数值实验中几乎没有考虑的初始条件，在图灵不稳定条件下产生了上述各种模式。