WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Коновалов А.А. Общие закономерности развития экогеосистем (деформационная модель)

Научная статья

 

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2343      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

Общие закономерности развития экогеосистем (деформационная модель)

Коновалов А.А. (konov@newmail.ru) Институт проблем освоения Севера СО РАН

Введение

Современная эпоха характеризуется резкой дифференциацией отраслей знания и культуры в целом. Многие ученые усматривают в этом едва ли не основную причину разрастающегося глобального кризиса. "Содержание науки чужой специальности давно уже стало недоступным не только просто культурному человеку, но специалисту-соседу" - пишет П.Флоренский [17]. Культура уже не соединяет, а разъединяет людей ибо сама "частична и специализирована".

Весьма нелицеприятную характеристику современному "специалисту" дает Ортега-и-Гассет [15]: "Его нельзя назвать образованным, так как он полный невежда во всем, что не входит в его специальность; он и не невежда, так как он все-таки "человек науки" и знает в совершенстве свой крохотный уголок вселенной. Мы должны были бы назвать его "ученым невеждой", и это очень серьезно, это значит, что во всех вопросах ему неизвестных, он поведет себя не как человек, незнакомый с делом, а с авторитетом и амбицией, присущими знатоку и специалисту... Как убого и нелепо они мыслят, судят, действуют! Непризнание авторитетов, отказ подчиняться кому бы то ни было - типичные черты человека массы - достигают своего апогея именно у этих довольно квалифицированных людей. Как раз эти люди символизируют и в значительной степени осуществляют современное господство масс, а их варварство -непосредственная причина деморализации Европы".

"Современная западная цивилизация - как бы продолжает тему О. Тоффлер [19]- достигла необычайных высот в искусстве расчленения целого на части... Мы изрядно преуспели в этом искусстве, преуспели настолько, что нередко забываем собрать разъятые части в то единое целое, которое они некогда составляли".

В то же время, по мнению Ж. Сартона [4], именно наука является главной силой, способной, обеспечить единство нашей цивилизации. "Нельзя допустить, - пишет он, чтобы совершенно необходимая специализация затемнила более широкое видение эволюции и взаимосвязи всех наук.... Чем больше наука входит в нашу жизнь, тем более ее надо очеловечить..."

Обосновывая общий подход к изучению закономерностей развития косной и живой природы, К.Н.Леонтьев писал [16]: "Нелепо оставаясь реалистом в геологии, физике, ботанике, внезапно перерождаться на пороге социологии. Принципы, господствующие в природе сохраняются и проявляют  себя  в  человеческой  истории".   "Человек,  являясь   "энергетической  системой",


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2344      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

подчиняется тем же самым законам, которые управляют мыльными пузырями и движением планет" - вторит ему известный современный астрофизик Холл (по [6]).

Данная статья посвящена некоторым общим закономерностям развития всех природных систем, включая антропные (гуманитарные); поиску подходов и моделей для их изучения, соответствующих новому, экологическому, мышлению, подразумевающего не только рациональное понимание, но и чувствование общности, родства, с окружающей природой, в т.ч. с "неживой", - в духе высказывания выдающегося русского мыслителя А.Н.Радищева, который писал [20]: "Итак, исшел на свет совершеннейший из тварей, венец сложений вещественных, царь земли, но единоутробный сродственник, брат всему на земле живущему, не токмо зверю, птице, рыбе, насекомому, черепокожному, полипу, но и растению, грибу, мху, плесне, металлу, стеклу камню, земле."

Понятно, что говорить о единстве закономерностей развития всех природных систем, можно начиная с достаточно высокого - глобального - уровня обобщения, "с высоты" которого частности не различимы. Такого рода, "мелкомасштабные", исследования не подменяют, а дополняют "крупномасштабные" (с малой высоты, с близкого расстояния), в которых проявляется частное, специфическое, но расплывается общее, когда, образно говоря, "за деревьями можно не увидеть леса".

Экогеосистемы: понятие, структура

В качестве обобщенной таксономической единицы природного комплекса используется геосистема - "земное пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в связи друг с другом и как определенная целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом"[23]. В наше время, когда темпы развития производства и рост потребления природных ресурсов достигли размеров, угрожающих экологической катастрофой, и человеческий фактор стал играть едва ли не решающую роль в жизни природы, это понятие целесообразно развить до экогеосистемы, отличающейся тем, что в указанную "определенную целостность" природных компонентов, в качестве партнера, отвечающего за устойчивость (вынужденного отвечать, чтобы обеспечить нормальные условия существования), вовлекается, интегрируется, проживающий в месте ее дислокации человек (общество, социум) со своей энергетикой и ментальностью. В методическом плане введение этого понятия позволяет рассматривать системы косной и живой природы, традиционно относящиеся к разным отраслям знаний - естественным, техническим и гуманитарным, с существенно различающимся методологическим аппаратом, под одним углом зрения, "как единоутробных сродственников".

К экогеосистемам относятся расположенные в пределах биосферы взаимосвязанные гео-,


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2345      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

био- и антропосистемы разного ранга. Они представляют собой иерархии множеств мельчайших частиц (элементов, "атомов"), объединенных в субсистемы разной природы, ранга и возраста, которые с одной стороны, открыты для энергообмена и взаимодействуют друг с другом, определяя детерминистический характер связей; с другой - обладают определенной закрытостью (независимостью) и действуют самостоятельно, подчиняясь в коллективном поведении стохастическим закономерностям. Последнее означает, что наблюденные параметры, установленные причинно-следственные связи и их математические выражения адекватны реальности лишь с определенной вероятностью, тем большей, чем больше частиц в системе. Т.е. наблюдаемый мир - это совокупность реализованных возможностей (событий), тех, которые наиболее вероятны в данных условиях. В кризисных ситуациях могут реализоваться события с любой малой вероятностью.

Каждый последующий член иерархии, более подвижный и сложно организованный появился и развивается за счет вещества и энергии предыдущих, наследуя определенную общность признаков и поведения, основными чертами которой являются: спиралеобразная цикличность с повторяемостью в каждом цикле участков подъема и спада; составной характер циклов; их затухание во времени и по мере дробления.

Всегда удается выделить область взаимодействия данной субсистемы (нулевой уровень) со своим окружением и считать расширенную за счет этой области систему (субсистему 1-го уровня) в течение какого - то времени закрытой, обладающей некоторым неизменным количеством энергии. В пределах субсистемы 1-го уровня обычно находится несколько субсистем нулевого уровня и более мелких частей. Прогресс любой из них возможен только за счет собственного окружения. В свою очередь субсистема 1-го уровня развивается в границах субсистемы 2 -го, с которой у субсистем нулевого уровня уже нет прямых связей, но есть опосредованные, дальние или рыхлые связи,- и т.д. Внешняя граница субсистемы нулевого уровня является внутренней границей субсистемы 1-го уровня, а внешняя граница последней является внутренней границей субсистемы 2-го уровня...- субсистемы низших уровней как бы закрыты, наподобие сувенирных матрешек, в субсистемах высших уровней и раскрываются, каждая под определенным углом зрения, по мере увеличения масштаба видимого. Соответственно субсистемы нулевого уровня служат "элементарными" (мельчайшими) частицами, условными "атомами" субсистем 1-го уровня, а эти последние - "элементарными" частицами субсистем 2-го, и т.д. Например "элементарной" частицей ландшафта является фация, а таксоном следующего ранга - урочище. При уменьшении масштаба ландшафтной съемки фации перестают различаться и тогда "элементарной" частью становится урочище. Можно говорить об определенном самоподобии экогеосистем,- каждая их часть в той или иной степени обладает свойствами  целого.  Так все  биоклиматические зоны Земли  (тундровая,


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2346      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

лесная, степная, полупустынь и пустынь) располагают в общем то одинаковым набором типов растительности: гигрофитный, лесной, степной, ксерофитный, но с разным долевым соотношением компонентов, зависящем от того или иного сочетания тепла и влаги - всегда, естественно, доминирует "титульный" тип (в лесной зоне - лес и т.д), и каждую из зон, в свою очередь, можно разделить по господствующему составу растительности на аналогичные "минизоны" (районы). Такое приблизительное подобие часто прослеживается и на более низких уровнях ранжирования с тенденцией к постепенному уменьшению видового разнообразия за счет вырождения нетипичных для данного климата видов.

Чем выше уровень иерархии, тем дольше период "закрытости" экогеосистемы, когда действуют законы сохранения (энергии, массы...). В полной мере они выполняются только в суммарном выражении для мегасистемы Солнце - Земля (с Луной) в целом. Внутри нее идет постоянное перемещение тепла и массы, в процессе которого одни системы теряют, деградируют и гибнут, другие рождаются, приобретают и развиваются. Т.е. развитие и процветание одних происходит не иначе, как только за счет деградации и гибели других. Это основной закон экологии, лапидарная формулировка которого по Б.Коммонеру [9] звучит так: "Ничто не дается даром".

Цикличность экогеосистем

В основе общности экогеосистем всех рангов лежит цикличность внешних условий, процессов и состояний, круговороты вещества и энергии, обусловленные, в первую очередь, астрономическими факторами: вращением Земли вокруг своей оси, Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, колебаниями осей вращения, термического режима Солнца и др. В системе Земля - атмосфера цикличность обусловлена противоположной направленностью гравитационного (к центру Земли) и термического (от центра) градиентов, обеспечивающей нагрев и разуплотнение опускающейся тяжелой (холодной) массы и охлаждение и уплотнение поднимающейся легкой (теплой), и тем самым, возобновляемость кругового движения по вертикали. Вертикальная циркуляция осложняется горизонтальной, которая формируется под совместным воздействием термического градиента между экватором и полюсами, вызывающего меридиональную конвекцию тепла и массы, и вращения Земли, вынуждающего их широтное перемещение. Эти же факторы вызывают циркуляцию магмы в недрах Земли, деформацию земной коры, ее разломы и дрейф материковых плит.

Разрушительные тектонические и климатические процессы изменяют лик Земли, порождая новые формы. При постоянстве массы новое может образоваться только из продуктов разрушения старого.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2347      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

В живых системах цикличность - повторяемость подобного, поддерживается их репродуктивной способностью, с одной стороны, и конечной длительностью существования, с другой. Место ушедших "родителей" в пищевой пирамиде занимают их потомки.

Кроме вынужденных колебаний экогеосистемы претерпевают и собственные колебания, вызванные столкновениями частиц и их упругими свойствами. Упругость (обратимость-способность системы восстанавливаться, проявляется в ответ на внешнее не катастрофическое воздействие, зачастую с опозданием и опосредованно, и утрачивается со временем, а также при повышении давления и температуры. Помимо восстановительной сила упругости имеет агрессивную составляющую, благодаря которой система после устранения внешнего воздействия не только возвращается в прежнее состояние, но и переступает его, вторгаясь на "чужую территорию" (подобно маятнику или приливной волне). Агрессивность (в механике ее аналогом является инерция движения) - наступательная жизненная сила, часто выступающая как "злая", присущая всему живому. В антропных системах - она связана с хорошо разпознаваемым, но плохо управляемым состоянием подъема, избытка энергии и духа и в зависимости от контекста идентифицируется как пассионарность, фанатизм, одержимость, воодушевление, кураж и т.д. Упругость с ее непременным атрибутом - агрессивностью ответственна за саморазвитие, понимаемое как повторяемость, циклическая последовательность стадий развития. Она определяет выживаемость, воспроизводство и место в пищевой пирамиде.

Любое внешнее возмущение, толчок, производит серию затухающих (с уменьшающимися амплитудой и периодом) колебаний (флуктуации) частиц внутри системы, постепенно возвращающих частицу в равновесное состояние. Система продолжает по инерции флуктуировать и после внешнего толчка, уже при установившихся внешних ("верхних" граничных) условиях, создавая в совокупности внутренние ("нижние" граничные) условия развития, контролирующие обратные связи, усиливающие или подавляющие прямые, посредством которых передается очередное внешнее воздействие. Разница ("расстояние") между верхними и нижними граничными условиями имеет смысл емкости системы. По мере "углубления" в систему влияние внешних условий уменьшается, а внутренних - увеличивается. Значение внутренних и внешних условий меняется и в течение жизни экогеосистем. Внутренние, скрытые, играют большую роль при зарождении и на ранней и поздней стадиях существования - в "младенчестве" и в "старости", когда системы неравновесны и неустойчивы. На стадии зрелости экогеосистемы устойчиво уравновешены с внешней средой и изменяются по ее законам. Современные внутренние условия когда-то были внешними. Настоящее нижней границы субсистемы - это свернутое (усредненное) прошлое верхней. Например, температура нижней границы криолитозоны ("вечной мерзлоты"), примерно равная 0°С, - это средняя


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2348      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

температура поверхности в прошлом, в начале формирования криолитозоны. Температура повехностного слоя на Солнце близка к температуре в центре Земли - около 6000°С [8]. Постоянная температура тела высших животных (около 35...40°С )- это средняя температура среды в месте и на период их зарождения как жизненной формы. Сама жизнь, как известно, возникла в достаточно горячей водной или обводненной среде (растворе, суспензии), по-видимому, - выкристаллизовалась из нее (все жизненные формы, как известно, на 70...90% состоят из воды) при понижении температуры до значений близких к 37°С, при которой удельная теплоемкость воды минимальна, а соответственно максимальна энергия обмена, и этот процесс (жизнь), подобный фазовому переходу 1-го рода, происходящему при постоянной температуре, продолжается. Прошлое не теряется, а сжимается, упаковывается внутри настоящего, составляя его скрытую основу.

При внешнем толчке достаточной силы, возникает явление резонанса, когда частоты колебаний субсистем разного уровня совпадают, а их амплитуды, пропорциональные силе инерции движения, складываются, достигая значений, превышающих предел прочности их связи, и система разваливается.

На рис. 1а изображена развертка эллипсоидальной орбиты вращения Земли вокруг Солнца, таким же образом можно развернуть круговую орбиту вращения Земли вокруг своей оси и Луны вокруг Земли. В первых двух случаях по положению Земли относительно Солнца выделяются 4 стадии, явные ("видные"): весна, лето, осень в годовом цикле и утро, день, вечер - в суточном; и неявные (скрытые): зима в годовом и ночь в суточном циклах. Основные стадии, антиподы - лето (день) и зима (ночь), остальные стадии - переходные между ними. Отрезки траектории, соединяющие центры стадий - такты, имеют форму кривой либо затухающего типа: такты IV, II между центрами стадий 1, 2 и 3, 4, либо прогрессирующего: такты I и III между центрами стадий 2, 3 и 4, 1. По 2 такта объединяются в полупериоды подъема (такты III, IV) и спада (I, II). Аналогичные стадии - четверти месяца (недели) и полупериоды - подъем от новолуния до полнолуния и спад от полнолуния до новолуния, выделяются и на лунной орбите.

Годовой, месячный и суточный циклы играют главную роль в жизни экогеосистем, определяя ритмический (волновой) характер как их взаимодействия с внешним миром: приход и расход лучистой энергии Солнца в годовом и суточном циклах; приливы (поднятия) и отливы (опускания) массы, в первую очередь жидкой, вызывающие ее регулярное перемешивание, противостоящее энтропии, в лунном цикле; так и собственного функционирования: рождение, расцвет, затем угасание и гибель. За один оборот Луны - за месяц, происходит около 30 оборотов Земли вокруг своей оси и 30'2=60 оборотов приливной волны с максимумами в новолуние и полнолуние; за год - все в 12 раз больше.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2349      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

Т.е. 12-часовой (точнее 12,4-часовой) приливной (механический) цикл примерно подобен солярным (энергетическим) - годовому и суточному с коэффициентами подобия 12 и 2: в годовом цикле 12 месяцев, столько же, сколько в приливном цикле часов, час приливного цикла соответствует месяцу - 30 суткам в годовом цикле и 2 часам в суточном. Из этого следует, в частности, что суммарный приход солнечной энергии и работа приливной волны за любой отрезок времени соотносятся как энергия упругости и ее работа в законе Гука - 1:2. Интересно, что на микроуровне число 30 "составляется" из 12. Оно равно 121nl2«ln(v3), где v3 ^101J^ 121' ' сек" - средняя частота тепловых колебаний атомов.

Рис.1. Схематический вид траекторий развития

а - развертка эллипсоидальной орбиты (I-IV- номера тактов, 1-4- номера стадий, h-пройденный путь); Ъ - затухающая цикличность (А - амплитуда колебаний, т-время)

Все приведенные цифры верны лишь приближенно, "в среднем". Характеристики земной и лунной орбит непрерывно изменяются под воздействием других планет, колебаний их взаимного расположения и сил притяжения. Эти воздействия, накладываясь друг на друга, затушевывают четкость ритмов и затрудняют вычленение элементарного времени -инварианта, кратно, без остатка, входящего в периоды всех циклов, связанных с вращением Земли.

Установлены 11 и 22...23-летние колебания солнечной активности, вызывающие возмущение магнитного поля Земли и циркуляции атмосферы и, вследствие этого - колебания температуры и увлажнения; 1850-летний цикл обусловлен изменчивостью приливообразующих сил в связи с взаимным перемещением Земли, Луны и Солнца и выражается планетарными колебаниями климата.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2350      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

Более продолжительные циклы (21, 42...45, 90, 370 тыс. лет) объясняют колебаниями эксцентриситета земной орбиты и увязывают с ними чередование ледниковых и межледниковых эпох. Наконец, геологические циклы измеряются миллионами лет, самые большие из них (165... 180 млн. лет) проявились в главных орогенических эпохах фанерозоя - каледонской, мезозойской и кайнозойской [7].

Характерно, что геологическую историю также делят на явную - фанерозой (греч. phaneros-явный) и скрытую - криптозой (kryptos - тайный, отложения этой стадии погребены под нынешней земной корой). Криптозой (докембрий) занимает около 3,9 млрд лет, примерно 90% жизни Земли. Доля "теневой" стадии в годовом, месячном и суточном циклах составляет 25 %. Если возможна аналогия стадий геологической истории с выделенными на земной орбите (рис. 1а) и допущение их пропорциональности, то сравнение этих цифр (90% и 25%) говорит о молодости Земли, пребывании ее на подъеме, в стадии "весны".

Движущаяся (развивающаяся) по траектории, близкой к изображенной на рис. 1а, Земля образует вместе с Солнцем и Луной практически замкнутую (обратимую) метасистему. Существующие внутри нее экогеосистемы меньшего ранга, из-за трения, теплообмена и других процессов, рассеивающих энергию, к началу каждого нового цикла приходят с пониженным потенциалом энергии. Для них характерна траектория затухающего типа, показанная на рис.16. Такая траектория развития отмечается у многих геолого -географических и общественно - исторических процессов: уменьшаются со временем длительность геологических эр, теплых и холодных эпох, регрессий и трансгрессий моря [2], сокращаются периоды колебания населения Земли и т.д. [2, 19].

Из-за     множественности     и     разнонаправленности     колебаний    траектория     развития

экогеосистем представляет собой ломаную линию,

образованную наложением циклов с разной природой и параметрами. Простой (одинарный)

цикл состоит из двух ветвей, восходящей и нисходящей, и переходов между ними. Сложные

циклы составлены из простых так, что среднее положение колеблющейся в простом цикле

величины  само  перемещается  в  цикле  колебаний  с  большим  периодом.   Это  вызывает

смещение начала и конца циклов, развитие по спирали, а не по кругу. При определенной

генерализации   сложную   траекторию   также   можно   представить   в   виде   одинарного   -

жизненного цикла.

Геолого-географические и общественно- исторические процессы развиваются на порядки

медленнее, чем жизнь человека, и поэтому, с его точки зрения, как бы застывают во времени

периодами  (геологическими  эрами,   историческими  и  климатическими  эпохами  и  т.п.)  с

примерно   постоянными   параметрами   состояния,   разделенными   короткими   кризисными

участками, на которых одни параметры скачкообразно меняются на другие. Эти периоды


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2351      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

локализуются в пространстве структурами с однородными устойчивыми свойствами -равнинами, ландшафтами, биоценозами, нациями, государствами, хозяйственными комплексами и т.д., а кризисные времена - пограничными участками, концентраторами напряженности и нестабильности - экотонами (фронтиром). Главные (первичные) силовые линии этого пространственно структурирующего поля определяются сложным характером теплообмена между литосферой и атмосферой (см. выше). Тепловые токи, фиксируемые по среднегодовым температурам, направлены от литосферы к атмосфере и от экватора к полюсам, определяя географическую зональность: деление поверхности Земли в обоих полушариях на примерно симметричные географические пояса - круговые зоны с однотипными природными условиями, и наличие в тропосфере аналогичных "виртуальных поясов" - сферических прослоев, соединяющих через экватор одинаковые географические пояса северного и южного полушарий, и проявляющихся на склонах прорезающих их гор вертикальной географической поясностью. Совокупность этих атмосферных прослоев имеет вид элипсоида вращения. Его ось совпадает с осью Земли, а граница - с верхней границей криоплювиосферы [10]- области формирования снега и града (и обледенения самолетов), отпечатывающейся на Земле ледовым покровом на обоих полюсах и вершинах гор. Динамика элипсоида - его вращение, в общем уравновешенное с вращением Земли, осевое сжатие при повышении скорости вращения или растяжение при ее понижении, приводят к перемещению географических зон по поверхности обоих полушарий Земли: в направлении к экватору - при сжатии, или от него - при растяжении, определяя циклическую смену теплых и холодных эпох, оледенений и трансгрессий моря, направленность и интенсивность тектонических, геоморфологических и биологических процессов, интрузию и перемешивание косного и живого вещества и, в конечном счете, историю биосферы.

Ритмичность процессов обусловливает пространственную ритмику структур (географических поясов, тектонических образований, рельефа) - своего рода стоячие (застывшие) волны. Колебания климата, уровня океана, оледенений, история биосферы и человечества запечатлены волнистым распределением температуры по глубине, специфическими напластованиями горных пород, ископаемых останков флоры и фауны, предметов культуры и быта. Чем древнее эпоха, тем глубже и недоступнее ее следы. "География и история вчера - это геология и археология сегодня". Подобно тому, как онтогенез биологической особи сжато повторяет филогенез, геологический разрез места в сокращенном виде отражает события его географической и общественной истории.

Колебательный режим (волновые свойства) и стадийность, присущи всем экогеосистемам, любого ранга и физической природы, это способ их существования. В четырехстадийную схему развития, например вполне укладывается история человечества, в общепринятом (упрощенном)


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2352      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

ее понимании, как последовательную смену идентичных типов социально-общественных и культурных образований (фаз): примитивное общество, примерно соответствующее стадии становления; традиционное с более или менее устойчивыми аграрной (рабовладельческой и феодальной) и индустриальной (капитализм) фазами; и посттрадиционное, несущее на себе печать упадка одной цивилизационной традиции (культуры) и зарождения другой. Из-за разных условий (не в последнюю очередь - географических), и контролируемых ими темпов развития одновременно существуют все типы общественно - государственных устройств, хотя бы в зачаточной или рудиментарной форме. Не все этносы и народы прошли весь возможный путь развития. Древние цивилизации переходили в посттрадиционную стадию и разрушались уже при ломке рабовладельческой фазы.

Итак, вращение Земли является движущей силой эволюции экогеосистем, как бы ее 4-тактным двигателем, работающим на энергии Солнца. Четырехстадийная (или четырехтактная) траектория развития в форме развертки витка элипсоидальной спирали, задаваемая вращением Земли, присуща всем системам: геолого-географическим, биологическим, социальным, информационным и т.д. Она определяет основные возрастные фазы их "жизненного" цикла: зарождение, становление (молодость, расцвет), зрелость, старение и гибель.

Идеи стадийности и круговращения пронизывают все религии, особенно восточные -индуизм, джайнизм, буддизм, даоизм, согласно которым все сущее возникает, развивается и исчезает. В индуизме, например, контроль за основными стадиями развития осуществляют три (троица - Тримурти) верховных божества: Брахма - создатель, Вишну - хранитель, Шива -разрушитель. В Библии, у Экклезиаста читаем: "И возвращаются ветра на круги своя"... "Время бросать камни и время собирать камни"... "Все реки впадают в море, но оно не переполняется"

Все имеет начало и конец. Древнегреческий философ Анаксимандр утвеждал: "то что нас порождает, по необходимости приводит к гибели. Любая структура, отличная от элемента, должна погибнуть"[16]. Зажигаются и гаснут звезды; вздымаются и разрушаются горы; рождаются и гибнут особи и популяции, социумы, государства и цивилизации. Новое рождается на обломках старого, за счет их энергии и массы.

Идея цикличности и стадийности развития лежит и в традиции русской историко-философской мысли. Еще М.В.Ломоносов [1] писал, что "начинаются народы, когда другие рассыпаются, одно разрушение дает происхождение другим". По мысли Н.С. Трубецкого [1], "история человечества есть история смены различных типов культур; последовательность зарождения, расцвета и упадка культур всегда, всюду может быть установлена". По Н.Н.Моисееву [14], развитие - это "непрерывное образование новых форм организации, их неизбежное разрушение, последовательные переходы от одних состояний к другим".


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2353      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

Большой вклад в развитие этих идей внес К.Н. Леонтьев [13,16], задолго до Шпенглера и Тойнби показавший цикличность развития государств, народов и культур. Стадии циклов он сравнивал с "фазами онтогенеза, где есть эмбриональный период, рост и расцвет всех возможностей, угасание и смерть""; основываясь на идее о цикличности развития общественных формаций, он, в частности, еще в конце XIX века предсказал революцию в России, построение в ней "социалистического феодализма", как "реакцию против разрушающего либерализма, которому на экономической почве всегда соответствует бессовестное господство денег", и противоборство с его оплотом: "все-Америкой". Дихотомия систем и Золотое сечение

В [11, 12] на примере анализа палинологических и климатических подсистем для выявления их связи, показано, что развитие экогеосистемы любого уровня можно свести к взаимодействию двух противоположностей У и X, выраженных в относительном (вероятностном) виде и записать: У=1-Хп, где п - размерность системы (количество взаимодействующих подсистем). При п=1- функция У от X одномерна, при п=2 двухмерна, при п=3 - трехмерна и т.д. Значение п=2 - наиболее распространенное, поскольку все формообразующие поверхности можно разложить на плоские фрагменты, а множество взаимодействующих частиц (систему) - на 2 группы: доминантную и субдоминантную. Существует точка, в которой функция равна аргументу: У=ХП=М, что отвечает равновесному состоянию системы. Совокупность значений М, вычисленных по этой формуле при п=1, 2, 3, 4, 5, 6...: 1) 0,5; 2) 0,618; 3) 0,682; 4) 0,725; 5) 0,754; 6) 0,778 и т.д., называется Обобщенным Золотым Сечением - ОЗС [22, 24]. Найдена [11] его приближенная (погрешность меньше 0,1%) формула: Mn =(Mn_i)z, где z=0,51/n. Величина М=0,618 при п=2 и обратная ей: 1/М =1,618 -собственно Золотое сечение - наиболее часто встречающееся соотношение оппозиций во всех системах Мироздания. Ему, например, следует распределение критических температур (°С) в системе вода-лед, отвечающей за функционирование биосферы и криосферы: 100, 37 (температура минимума теплоемкости воды, см. выше), 0 (температура плавления льда при атмосферном давлении), -22 (критическая температура tKp, при которой зависимость температуры плавления льда от давления меняет знак на противоположный): (100-31)1 {100-0)=0,63, (37-0)/(37+22)=0,63 и (37-0)/(37+22)=0,63; суши - 100 млн. км 2 (39%) и воды 155 (61%) в Северном полушарии [22]. Еще несколько характерных примеров: Максимумы индекса сухости и минимумы продукции биоты в обоих полушариях приурочены к 22-й параллели [7]; ее большее угловое расстояние от полюса равно: (90+22)/180=0,62. Среднеширотная температура воздуха равна 16°С; она приходится примерно на 35-ю параллель [2], которая делит угловое расстояние между экватором и полюсом в пропорции 39 и 61%. На логарифмической шкале времени между тг =10 '  сек (годовой период) и т0 =10"    сек (период


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2354      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

тепловых    колебания    атомов    [21])    единица    измерения    (сек)    делит   ее    в    пропоции: (0+13)/(7,5+13)=0,63. Деформационная модель развития

Экогеосистему можно представить совокупностью гибких связей частиц (субсистем), обладающей определенной энергией, которой она обменивается с внешним миром. Обмен сопровождается деформацией (изменением размера) связей и подвижками частиц, т.е. производится работа. Тогда, если абстрагироваться от природы частиц и механизмов их взаимодействия, развитие (эволюцию) экогеосистем можно рассматривать обобщенно, как накопление деформаций (или работы), понимая под деформацией любое изменение системы. Для удобства обобщения деформацию целесообразно выражать в относительном, безразмерном, виде: j=±(l-h/hH), где hH и h - начальный и текущий размер, знак "плюс" относится к сжатию, "минус" - растяжению. Такой подход удобен тем, что общие законы развития выявляются из опытов с простыми моделями, поддающимися количественному анализу, например с нагруженным твердым (застывшим) телом, в частности, с мерзлым грунтом, связность частиц которого обеспечивается поровым льдом (ледяными связями), или с чистым льдом. В пользу этой модели говорит близость реальных температур к точке плавления льда (его "смерти"), свидетельствующая о малой длительности "жизненного" цикла и позволяющая достаточно просто ее регулировать в опытах. Мерзлый грунт, как и другие твердые тела, под постоянной нагрузкой (Р) постепенно разрушается, проходя 3 явные стадии деформации [3, 21]: с убывающей -1, примерно постоянной -2 и возрастающей -3 скоростью, и одну скрытую, ненаблюдаемую -4 (рис.2). Их можно сопоставить с 1) весной (детством), 2) летом (зрелостью), 3) осенью (деградацией, старостью) и 4) зимой. Общая деформация j, включающая упругую пластическую и разрывную постепенно растет.

Рис.2. Ход деформации] во времени 7"при разных Р

а - ненаблюдаемый и б - наблюдаемый участки. 1-3 - номера явных стадий

Упругая, отражающая изменение внутренней энергии, на 1-й стадии растет до максимума, на 2- й растрачивается, практически полностью. Конец 2-й стадии, где j близка к уменьшению объема льда при плавлении] »]пл =0,083 [3, 10], является пределом устойчивого существования тела, пределом его долговечности. На 3-й стадии мерзлое тело разрушается: а) пластично -


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2355      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

вблизи точки плавления, когда ледяные связи оттаивают и тело "растекается"; б) хрупко -вдали от точки плавления, когда при больших нагрузках связи рвутся (сублимируются, визуально исчезают), на месте разрывов образуется трещина и тело разваливается на части. В последних восстанавливаются начальные условия, что позволяет рассматривать их как генетических потомков "материнской" системы. При той же нагрузке они и ведут себя подобным образом, деформируясь и дробясь на более мелкие части.

Отрезок времени между скачкообразным развалом тела и началом 1-й стадии нового деформационного цикла является 4-й, невидимой (эмбриональной, инкубационной) стадией развития, на которой "скрытно" рождается новая структура, генетически связанная со старой, наследующая ее свойства и общее направление развития. Эта невидимая структура (зародыш) и является условным "атомом" системы.

Таким   образом,   на   траектории   развития   в   каждом   его   цикле   с   одной,   видимой

("освещенной") стороны находится область реальности, детерминизма, фактического знания. С

другой,  невидимой  (теневой) -  более  или  менее  симметричная  ей  область  "зазеркалья",

иррационализма, веры, мистики, но и "озарения", где вещи, пространство и время теряют

определенность. Материалистический критерий истины - практика, опыт, здесь не работает.

С открытой стороны сходство кривых на рис.1 и 2 очевидно: такт II - затухающий процесс с

горизонтальной асимптотой, его кривая имеет форму, близкую к логарифмической; такт III -

прогрессирующий процесс с вертикальной асимптотой, его кривая имеет форму, близкую к

экспоненте. Два такта - I и IV на деформационной кривой "видны" лишь частично. Скорости

деградации   в   конце   3-й   стадии,   а   также   становления   в   начале   1-й,   возрастают   до

бесконечности, а время, наоборот, сокращается, поэтому 4-я стадия, заключенная между 3-й и

1-й исчезает из поля зрения ("уходит за горизонт") и в явном виде не проявляется. Вся

предшествующая история здесь как бы сжимается, свертывается, и в таком виде хранится в

генетической памяти потомства, а ее осредненные (выположенные) показатели выступают

краевыми условиями на новом витке развития. Так температура на глубине нулевых годовых

амплитуд   равна   средней   многолетней   температуре   дневной   поверхности      и   является

граничным условием теплового режима нижележащих пород. Сжимаются до элементарных

размеров и субъекты событий.

Длительная прочность и долговечность мерзлого тела

Найдены [3,10,21] формулы длительной прочности Рд и долговечности тд мерзлого тела при пластическом (вблизи точки плавления) и хрупком (вдали от нее) разрушении. В частности, для пластического разрушения, присущего мезлым грунтам, расчетная формула имеет вид [10]:

Рд/Рт=(тт1„/ТдГЛ                  (О


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2356      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

где Рт и тт;п - максимальная прочность и соответствующая минимальная долговечность,

)пл=(Ул-УвУУл - относительное изменение объема при плавлении льда, Ул и V, ¦ удельный

объем льда и воды;.

Максимальная (мгновенная) прочность Рт равна нагрузке, выдерживаемой системой хотя бы одно "мгновение" - ттгп —» х0 «10" сек [21]). Она определяется уравнением Клапейрона -Клаузиуса [25], описывающим фазовое равновесие:

Рт=0нл1/(Ув-Ул)То             (2)

где t=T-T0 - температура плавления льда (°С) при Р>0; Т0 = 273 (К) - температура плавления льда при Р=0; <3пл - скрытая теплота плавления, изменяющаяся от 334 кДж/кг при t=0 до 235 кДж/кг при t=22.

Собственно, формула (1) и есть уравнение фазового равновесия, учитывающее время в качестве одного из факторов разрушения (наряду с температурой и давлением)

При анализе обнаружено уникальное свойство системы вода-лед: примерное равенство термодинамических и деформационных характеристик, выраженных в виде отношений целого к части (количества частей) и близость этих отношений к коэффициентам подобия главных вращательных циклов Земли: 12 и 2 (см. выше). Так отношение температуры оттаивания обычного льда (0°С) к температурному диапазону от 0 до tKp=-220C на термодинамической шкале равно: [273/(273-251ХИ 2; при t=tKp=-22°C (Qc /Qra)~12, (Qn„/BT>2, a (QC/BT)«212=24; Gc /jrui) ~ 1/0,083=12; величина, обратная деформации плавления (1/]пл) также равна 12. В этих соотношениях: Qc=2834 кДж/кг - скрытая теплота сублимации, jc « 1 - изменение объема тела при его сублимации, ВТ - средняя энергия тепловых колебаний атомов, В=0,46 кДж /(кг'°С)-удельная газовая постоянная льда.

Анализ показал также, что значения Рд/Рш, определяемые формулой (1), соответствуют пропорциям ОЗС при изменении тд/ттгп в порядке уменьшения общепринятых календарных отрезков времени: года, полугодия, квартала, месяца, недели... или их частей. Например, примем тт;п=1час и определим количество часов (количество "элементарных" отрезков времени ттгп): в полугодии, в полумесяце, а также в 1/2, 1/4, 1/6 и 1/8 недели. Получаем в порядке перечисления календарных отрезков времени: 4380, 365, 91, 46, 30 и 23. При Vin=lcyTKH эти же числа (4380, 365, ...) соответствуют количеству суток: в 12(11) годах (период основного цикла солнечной активности), в году, в квартале (стадии), в полуквартале, в месяце и в неделе (четверти квартала). Возведение в степень 0,083 их обратных величин, т.е.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2357      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

расчет Рд/Рн по формуле (1), дает ряд: 0,497; 0,613; 0,687, 0,728; 0,753 и 0,771, практически совпадающий с ОЗС (см. выше), а отношение 1п(ттгп/тд) к 1п(Рд/Рт) всегда равно 12. Т.е. можно говорить о подобии основных параметров (включая долговечность) системы вода-лед, выраженных через отношения к своей "элементарной" части и прямую, практически пропорциональную, их связь с вращательными циклами Земли.

Таким образом, поведение нагруженного ледяного тела (мерзлого грунта) отражает наиболее общие закономерности развития экогеосистем и может служить его упрощенной моделью.

Заключение

Принятое деление экогеосистем на открытые (живые) и закрытые (мертвые, косные) достаточно условно. Все они, если предоставлены самим себе, на стадии становления - "в детстве" открыты для приема энергии и вещества (пищи). Открытость (способность к саморазвитию) системы лимитируется теплоемкостью (энергоемкостью). После ее заполнения система, подобно открытому сосуду в водоеме, сама закрывается - в том смысле, что прекращается пополнение жизненной энергии. Фактор времени или профицит энергии ведут к разрушению системы (действует универсальный принцип: любое воздействие в малых дозах полезно, а в больших вредно), при этом система как бы вновь открывается, но уже для отдачи энергии. На срединном отрезке времени (на 2-й стадии развития) система открыта с "обеих сторон", существует в режиме тепломассообмена, здесь она развивается так, что все время подобна самой себе. Приток энергии (массы, информации) из внешней среды в систему на стадии становления (детства) так же естествен и самопроизволен, как ее отток, диссипация, на стадии деградации (старости).

Существующее представление о разном направлении эволюции неживой и живой природы, первой - к простоте и единообразию, второй - к усложнению и многообразию не совсем корректно. Во-первых, неживая природа - "мать" живой, тоже усложнялась около 4 млрд лет, пока не породила качественно новую, живую формацию - биосферу и дальше развивается, по крайней мере в верхних слоях земной коры, уже в ее составе в качестве абиотической составляющей. С появлением человека в "недрах" биосферы таким же образом зарождается следующая формация - антропосфера, внутри которой по мере развития науки и техники формируется, следующая фаза - техносфера и т.д. В перспективе предсказывают образование ноосферы, сферы разума - географической оболочки, в которой будет достигнуто гармоничное, взаимоувязанное и устойчивое развитие природы и общества. Тенденции к этому пока не наблюдается, наоборот, постоянно совершенствуются возможности и по нарастающей увеличивается потребление (истребление) природных ресурсов. Во-вторых, темпы развития живой природы намного выше, чем неживой (косной), поэтому у "живого" наблюдателя срабатывает эффект обратного движения окружающей его косной природы (как у пассажира поезда). На самом деле вектор развития одинаков для всех: от появления на "свет", становления и расцвета, до деградации и конца "света", переживаемого каждой экосистемой индивидуально и в  свое  время.  Конечность  и стадийность  существования экогеосистем разных уровней


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»        2358      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/247.pdf

вызывает    постепенную    сменямость    поколений    и    их    преемственность,    обеспечивая непрерывность общего потока жизни, постоянство его энергии и обновляемость. Литература

  1. Абдулатипов Р.Г. В поисках "звездного" часа России. Звезда, 3, 2001, с. 175-181.
  2. Будыко. М.И. Климат и жизнь, Л, Гидрометеоиздат, 1971,471 с.
  3. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 448 с.
  4. Горелик Г. Рождение дела. Знание - сила, 4, 2003, с. 60-69.
  5. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990. 559с.
  6. Жамкочьян М. Агрессия не исчезает и не появляется. Знание-сила,7, 2000, с. 21-23.

7.   Исаченко А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районировани, М.: Высшая

школа, 1991, 366 с.

  1. Климишин.И.А. Астрономия наших дней. М.: Наука, 1986, 560 с.
  2. Коммонер Б. Замыкающийся круг. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 279 с.

10.  Коновалов А. А. О деформации и разрушении мерзлых грунтов. Криосфера Земли, 2002, 4, с.

54-62.

  1. Коновалов  А.А..   Связь  показателей  биопродуктивности  и  климата  и  пропорции  их распределения. Вестник экологии. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2005. Вып. 6. С.69-80
  2. Коновалов А.А., Иванов С.Н. Методика реконструкции климата по палинологическим данным (на примере севера Западной Сибири).. Криосфера Земли, 1, 2006, с. 34-41.
  1. Леонтьев К.Н. Восток, Россия и Славянство. М.: Республика, 1996, 799 с.
  2. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М.: Наука, 1987. 304 с.
  3. Ортега - и - Гассет. Восстание масс. Вопросы философии, 3, 1989, с. 120.
  4. Основы философии. М.: Владос, 1997. 320 с
  5. П.А. Флоренский: pro et contra, СПб., РХГИ, 1996, 752 с.
  6. Пелевин В. Встроенный напоминатель. Повести и рассказы. М.: Вагриус, 2000. С. 432-438.
  7. Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса (Предисловие О.Тофлер). М.: Прогресс, 1986. 432

20.     Радищев    Н.А.    О    человеке,    его    смерти    и    бессмертии.Избранные    философские

сочинения, 1949,Госполитиздат, с. 271-399.

    • Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.М.: Наука, 1974. 560 с.
    • Сороко Э. М. Структурная гармония систем. Минск: Наука и техника, 1984. 264 с.
    • Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 318 с.
    • Тимашев А.Р. http://tech.freelook.msk.ru/?gl= science&dir= alt&fl=zoloto01.
    • Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 847с.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.