CC BY
14должно присутствовать однородное фоновое излучение, спектр которого должен соответствовать известному в физике излучению черного тела», что подтверждено измерениями;
- «Событие типа Большого Взрыва действительно когда - то произошло».
Если взглянуть на весьма далекое прошлое нашей Вселенной через призму её энергетической модели, то Большой взрыв как космологическое явление имеет отношение не к обнуленному (благодаря математике) моменту времени t = 0 c, а к более позднему, планковскому мгновению времени tpl,
fh'G \ 1/2
равному tpi = = 10-43с. Это явление, каков
бы ни был его механизм, обладает колоссальной мощностью. (Заметим, что планковское время tpi отвечает промежутку времени, который требуется свету, чтобы пройти планковскую длину LPl, или 10-35 м). И далеко не случайно к настоящему времени в науке о природе «предельная скорость распространения сигналов с ([с] = [L/T]) и квант действия h ([h] = [E- T] = [M • L2/T])» приобрели фундаментальный смысл [15]. Вместе с тем, роль постоянной Больцмана кв (в отличие от физики начала 20 века) как бы остается в тени.
Литература
1. Щукарев А.Н. Проблемы теории познания. Одесса: МАТЕЗИСЪ. 1913. - 140 с.
2. Формула Планка [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://ru.wikipe-Ша.о^^Ы/Формула_Планка (дата обращения: 24.10.2020).
3. Планк М. Двадцать лет работы над физической картиной мира // М. Планк Избранные труды. М.: Наука, 1975. С. 568 - 589.
4. Вайнберг С. Космология / пер. с англ. М.: УРСС: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». 2013. - 608 с.
5. Планк М. О необратимых процессах излучения // М. Планк Избранные труды. М.: Наука, 1975. С. 191 - 233.
6. Синг Дж. Беседы о теории относительности / пер. с англ. М.: Мир. 1973. - 168с.
7. Кошман В.С. Космологическое расширение Вселенной как самое грандиозное газодинамическое течение в природе // American Scientific Journal. 2019. № 31. Vol. 1. pp. 41 - 45.
8. Кошман В.С. Законы физики и энтропия фотонного излучения Вселенной // American Scientific Journal. 2019. № 32. Vol. 2. pp. 57 -62.
9. Кошман В.С. Формирование проблемы густозаселенности Вселенной в эпоху Планка у истока ее космологического расширения // Sciences of Europe. 2020. № 54. Vol 2. С. 22 - 26.
10. Крейчи В. Мир глазами современной физики / пер. с чешск. М.: Мир. 1984. - 311 с.
11. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 1. М.: ГТТИ. 1933. 656 с.
12. Зельдович Я.Б. «Горячая» модель Вселенной // Я.Б. Зельдович. Избранные труды. Частицы, ядра, Вселенная. М.: Наука. 1985. С. 237 -244.
13. Эддингтон А. Пространство, время и гравитация / пер. с англ. Одесса: МАТЕЗИСЪ. 1923. -216 с.
14. Пенроуз Р. Большое, малое и человеческий разум / Р. Пенроуз, А. Шимони, Н. Картрайт, Р. Хокинг / пер. с англ. М.: Мир. 2004. - 191 с.
15. Окунь Л.Б. Фундаментальные константы физики // Успехи физических наук. 1991. Т. 161. № 9. С. 177 - 194.
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИНАМИКИ АРАЛЬСКОГО КРИЗИСА
Тлеумуратова Б.С.,
Каракалпакское отделение Академии наук Республики Узбекистан, заведующая лабораторией моделирования экологический процессов Приаралья
Мустафаева Р.,
Каракалпакский государственный университет им. Бердаха, доцент
Олламбергенов Ф.Ф.
Каракалпакский государственный университет им. Бердаха, магистрант SYNERGETIC PATTERNS OF DYNAMICS ECOSYSTEMS OF THE SOUTHERN ARAL REGION
Tleumuratova B.,
Karakalpak branch of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, head of the laboratory for
modeling ecological processes in the Aral Sea region
Mustafaeva R.,
Karakalpak State University named after Berdakh, docent
Ollambergenov F.
Karakalpak State University named after Berdakh, Master student
АННОТАЦИЯ
В работе обсуждается возможность исследования Аральского кризиса с позиций синергетики и системного анализа. Представлена концептуальная модель динамики структуры экосистемы Южного Приаралья. Приведены результаты расчетов по индексу Шеннона динамики биоразнообразия ихтиофауны и орнитофауны.
ABSTRACT
In-process possibility of research of the Aral Sea crisis comes into question from positions of synergetic and analysis of the systems. The conceptual model of dynamics of structure of ecosystem of Southern Priaralie is presented. Results over of calculations are brought on the index of Shannon of dynamics of biodiversity of fish fauna and avifauna
Ключевые слова: Системный анализ. Синергетика. Диссипативная структура. Экосистема Приа-ралья. Бифуркация. Аттрактор. Синергетическая система. Сукцессия. Индекс Шеннона.
Keywords: System analysis. System analysis. Synergetics. Dissipative structure. Ecosystem of the Aral Sea region. Bifurcation. Attractor. Synergistic system. Succession. Shannon Index.
Отличительной чертой современной системной экологии является широкое использование синтетического подхода, основанного на принципах системного анализа и синергетики, при изучении природных комплексов, в особенности неравновесных диссипативных структур. Сложность, нелинейность внутренних связей экосистемы и ее взаимодействий с внешней средой обусловливают необходимость и неизбежность применения количественных методов исследования. Это положение особенно важно для экосистемы Приаралья, претерпевающей масштабные трансформации и обладающей сложной темпоральной и структурной динамикой. Изучение экологических процессов как синергетической системы имеет большое будущее.
Многочисленные исследования аральского кризиса и обширный, накопленный за полвека фактический материал создают базис для формирования целостной концепции эволюции природной среды Южного Приаралья, в которой нашли бы отражение наиболее общие закономерности многолетней динамики и взаимосвязи, интерпретируемые с синергетической точки зрения. Методология синергетики - науки об открытых, устойчиво неравновесных, самоорганизующихся системах с нелинейной динамикой - максимально отвечает задачам и особенностям исследования аральского кризиса.
Рассмотрим синергетические свойства (открытость, сложность, неустойчивость, фрактальность, автоколебания, самоорганизация и др.) экосистемы Южного Приаралья. Очевидно, синергетическим параметром порядка в данном случае является расход Амударьи, поскольку именно с этим фактором связана динамика всех остальных параметров экосистемы. В целом совокупный форсинг многочисленных противоположных факторов приводит к флуктуациям, в точке бифуркации результирующая сил воздействия и противодействия определяет направление дальнейшего развития системы.
Когда положительные обратные связи превышают по интенсивности отрицательные, происходят экологические трансформации или, в терминах синергетики, движение системы в направлении некоего странного аттрактора — точки притяжения. Таких аттракторов может быть несколько, но система согласно принципу Кобозева выбирает лишь один, имеющий преимущества перед остальными точками сборки [1-3].
Определенная преемственность структурно-функциональных состояний, присущая динамике экосистемы Южного Приаралья позволяет говорить о развитии структурных и динамических
фракталов, столь свойственных синергетическим системам, что позволяет рассматривать многолетнюю динамику как совокупность своеобразных функциональных динамических фракталов.
По принципу развития И.Пригожина «синерге-тическая система последовательно проходит ряд точек, в которых происходит нарушение единственности решения уравнения параметра порядка» [4]. Аналогично поведение экосистемы Приаралья: в конце 70-х годов появляется новая компонента -постаквальная суша, и вместе с ней новый экологический процесс - ветровой вынос солей; в конце 90-х годов в экосистеме происходит еще одно качественное изменение - разделение Аральского моря на две части; в 2009 году начинается нерегулярное макроколебание водно-солевого режима восточной части моря. Таким образом к настоящему времени мы наблюдаем три качественно разные фазы в развитии аральского кризиса. При переходе системы на иной уровень развития поведение подсистем (биотических и абиотических) согласовано и в этом проявляются такие синергетические свойства, как эмерджентность и самоорганизация.
Изменение экосистемы Южного Приаралья, как и любой синергетической системы, неразрывно связано со стремлением к устойчивому состоянию. Медленные процессы развития к новому состоянию устойчивости происходят поэтапно и обозначаются понятием сукцессия. В отличие от сукцессии кризис характеризуется более быстрыми, нелинейными процессами и возрастанием энтропии. Для кризиса свойственно преобладание обратных положительных связей экосистемы над обратными отрицательными и динамическая иерархичность (возникновение нового качества системы за счет перестройки на нижележащем структурном уровне) [5]. Как сукцессия, так и кризис происходят согласно принципу Ле Шателье-Брауна (при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, само равновесие смещается в сторону, ослабляя внешнее воздействие) и закону минимума диссипации энергии [6]: (при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или минимум роста энтропии).
Вышесказанное обосновывает возможность и необходимость исследования особенностей многолетней динамики экосистемы Южного Приаралья с синергетической точки зрения. Следуя в этом направлении, мы на первом этапе разработали кон-
цептуальную модель SINERGO, которая представляет собой абстрактную синергетическую структуру природных объектов и процессов Южного Приаралья, наиболее ярко выражающих суть аральского кризиса (рис.1).
Цель моделирования: выявить особенности функционирования экосистемы Южного Приа-ралья на каждой из вышеуказанных фаз развития,
получить количественную оценку структурно-функциональных изменений.
Область моделирования: в плане - территория Каракалпакстана, по вертикали - от нижней границы деятельного слоя почвы до высоты 5 км.
Период моделирования: с 1960 г. по настоящее время.
вынос солеи
изменение климата
Амударья
Рис.1 Макроструктура концептуальной модели SINERGO
Принятые упрощения (агрегированно):
1. Макроуровень модели представлен тремя природными объектами - Аральским морем, Аму-дарьей и биотой, и двумя процессами - выносом солей с осушенного дна и изменением регионального климата, а также важнейшими взаимосвязями.
2. Переменными состояния являются водно-солевой режим Аральского моря, биоразнообразие и численность популяций растительного и животного мира, расход Амударьи, изменение климатических характеристик, вынос солей (концентрация сульфата натрия в атмосфере и на подстилающей поверхности).
Предварительные результаты 1 этапа. Так
как самой показательной характеристикой экосистемы, обеспечивающей ее устойчивость, является биоразнообразие, в первую очередь получена количественная оценка динамики биоразнообразия ихтиофауны и орнитофауны с использованием индекса Шеннона.
Индекс биоразнообразия Шеннона отражает сложность структуры сообщества [5], основываясь на количественной представленности видов, он может изменяться от 0 до 5. На рис.2 индекс биоразнообразия Шеннона вычислен для ихтифауны водоёмов Южного Приаралья с 1960 по 2010 гг.
Основной Основной Основной
™ Основной
0
1
О) Основной
Основной
U
си
Основной Основной
Основной Основной Основной Основной
1960-| 1970- 1980- 1990- 20041969 1979 1989 1999 2010
Индекс Шеннона Основной Основной Основной Основной Основной
Рис. 2 Динамика биоразнообразия ихтиофауны.
Рис.2 показывает, что среднее арифметическое значение индекса Шеннона составляет 2,27 , что указывает на среднюю сложность структуры ихтиофауны водоёмов Южного Приаралья.
Минимальные значения индекса Шеннона наблюдались в 1980 -1989 годы из-за резко обострившейся экологической ситуации в нижнем течении Амударьи. Было резко нарушено функционирование русла реки в дельтовой зоне. 2002, 2003 и 2005 годы считаются относительно многоводными годами и это обусловило приход массы молоди нерестящихся рыб в озёра и водоёмы Южного Приаралья, поэтому с 2004 года объем улова рыб начал расти. Однако в 2009-2010 годы улов снова начал снижаться [7] и в этот период(2004-2010 годы) показатель индекса Шеннона равен 2,24. В целом, как показывает линейный тренд, происходит сокращение биоразнообразия ихтиофауны, коррелированное с изменением гидрологического режима Аму-дарьи.
Территория Каракалпакстана имеет огромное значение для сохранения орнитологических территорий, направленных на поддержание биоразнообразия мигрирующих, гнездящихся, околоводных,
водоплавающих, тугайных и пустынных видов птиц.
В настоящее время по наблюдениям орнитологов на территории Каракалпакстана обитают 137 видов птиц, относящихся к 19 отрядам, 54 семействам [7].
С использованием индекса Шеннона проанализирована динамика биоразнообразия орнитофауны на территории Каракалпакстана (рис.3). Сведения о динамике численности птиц до 1980 года были отрывочными и нерепрезентативными. Анализ данных показал, что исследователями приведены только списки встречаемых птиц на территории Южного Приаралья [7]. Поэтому Индекс Шеннона в этот период очень низкий. По остальным временным периодам среднее значение индекса Шеннона составляет 2.7, что соответствует среднему биоразнообразию орнитофауны. Положительная динамика орнитофауны свидетельствует о более высокой толерантности по сравнению с ихтиофауной к ухудшающейся экологической обстановке. Тенденция к стабилизации биоразнообразия орнитофауны позволяет предполагать приближение этой компоненты экосистемы Южного Приаралья к своему аттрактору.
3,5 3 2,5
та
I
0
1 I
<и
3
и ^
ш с!
I
1,5
у = -0,675х - 0,53 R2 = 0,7981
0,5
Индекс Шеннона
1980-1990 0,8
1991-2000 2,35
2001-2010 2,83
2011-2014 2,89
Рис.3 Динамика биоразнообразия орнитофауны
На втором этапе исследования производится спецификация и идентификация переменных состояния экосистемы Южного Приаралья, выявляются и формализуются связи и взаимодействия между ее компонентами.
Третий этап - это математические воплощение структуры 8ШБКвО как системы уравнений динамики для каждой переменной состояния экосистемы XI (1) с учетом всех существенных воздействий со стороны глобальных входных переменных
(VI,.......,Ук) и внутренних переменных состояния
экосистемы (х:,........, Хп):
-хг
-Т = / (V ,..............., , X ,..........., х„ ) (1)
М
где п - общее число переменных состояния экосистемы, а Vl(t), ... Ук(1) - экзогенные факторы, воздействующие на экосистему извне.
При этом для каждой переменной х! функция / (..), выражающая скорость ее изменения, может среди своих аргументов содержать такую (такие) переменную ху , что переменная хг, в свою очередь, существенно влияет на функции / (....) , характеризующую динамику переменной х^ Другими словами, система (1) способна описывать взаимодействия типа обратной связи, которые, как известно, имеют немаловажное значение для поддержания функционирования экосистем [8].
Получаемые таким образом модели экосистем-ного уровня обладают способностью к воспроизведению весьма богатого репертуара динамических режимов моделируемых экосистем.
Синтез целостной модели экосистемного уровня открывает перед исследователями широкие возможности для всестороннего и глубокого изучения таких эмерджентных (т.е. возникающих
именно в результате взаимодействия компонентов) характеристик экосистемы, как устойчивость, а также таких аспектов функционирования экосистемы в целом, как динамика (суточная, сезонная, разногодичная), сукцессия и эволюция[8].
Литература
1. Ильяшенко Ю. С. Аттракторы и их фрактальная размерность / Ю. С. Ильяшенко. - М. : МЦНМО, 2005. - 16 с.
2. Каток А. Б. Введение в современную теорию динамических систем /
А. Б. Каток, Б. Хасселблат; пер. с англ. - М.: Факториал, 1999. - 768 с.
3. Крейдик Л. Г. Анализ «вывода преобразований Лоренца» в высшей школе / Л. Г. Крейдик // Журнал теоретической диалектики-физики-математики. - 2002. № 1. - С. 180-246.
4. Пригожин И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / И. Пригожин, И. Стенгерс; пер. с англ.; общ. ред. В. И Аршинова, Ю. Л. Климонтовича, Ю. В. Сачкова. - М.: Прогресс, 1986. - 432 с.
5. Пляцук Л. Д., Черныш Е.Ю. Синергетика: нелинейные процессы в экологии /Сумы: изд-во СГУ, 2016. - 237с.
6. Зверев А.Т. Основные законы экологии / А. Т. Зверев. - М.: Издательский дом «Паганель», 2009. - 171 с.
7. Динамика и потенциал природной среды Каракалпакстана/ Колл.монография. Нукус: «Илим», 2017. - 252с.
8. Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. - М.: Изд. МГУ, 1980.-464с.
2
1
0
