Document 2381259

Известия ТРТУ
«Экология 2004 – море и человек»
сделанные в начале работы допущения не выполняются и необходимо перейти от
модели электродного эффекта к модели, описывающей перенос тяжелых ионов в
приземном слое.
1.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
электродного эффекта в атмосфере. – Таганрог. Изд-во ТРТУ, 1998. – 123 с.
Куповых Г.В., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Теория
ИНФОРМАЦИОННЫЙ БАЗИС БИФУРКАЦИЙ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.В. Волочков
Бытует расхожее утверждение , что лимит революционных изменений исчерпан и современное сообщество живых организмов в дальнейшем обречено на ламинарное развитие. Однако, если учесть, что под определение революции подпадают все
виды катастроф, то становится очевидным факт особой бифуркационной активности
современного геологического периода нашей планеты. Такая активность побуждает
повышенный интерес к синергетическим методам исследований причин и последствий
геобиосферных катаклизмов.
Существует три основных идеи относительно причин бифуркационных
процессов в материальном мире: энергетическая, биосистемная, или экосистемная и
информационная. Первая идея, хорошо развитая И.Р. Пригожиным [1] и Г. Хакеном [2],
исходит из принципа накопления энтропии в процессе диссипации энергии, поглощаемой некоторой системой из окружающей среды , с последующей реструкту ризацией такой системы в направлении минимизации накопления необратимых
изменений. Эта идея соответствует динамически равновесному взаимодействию живых организмов между собой и окружающей средой с постоянными параметрами
преобразования ресурсов, в зависимости от величины которых, как показывают расчёты, структура экосистемы может быть устойчивой с ламинарным или колебательным
характером развития или неустойчивой с появлением новых видов, поглощающих
избыток генерируемых биомассы и энергии.
Биосистемная , или экосистемная идея изучения причин и направлений
развития катастрофических процессов основана на трудах А.Лотки, В.Вольтерра,
Н.Н.Моисеева, Ю.М.Свирежева и других [3], исследовавших более сложные формы
взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой таких, например, как "конкуренция", "хищник-жертва", " паразитизм ", " симбиоз ", "аменсализм",
"комменсализм" и так далее, со сложным характером взаимозависимости параметров
нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику экосистемы. Моделирование и целочисленное решение этих эволюционных уравнений свидетельствует,
что само по себе увеличение сложности понижает устойчивость экосистемы, к бифуркациям которых (существенным или несущественным, глобальным или локальным) могут
привести не только увеличение темпов преобразования энергии , биомассы,
других ресурсов экосистемы и окружающей среды, накопления энтропии и необратимых изменений, а даже начальные условия, соотношения и знаки некоторых параметров. Причём оказалось, что с ростом сложности экосистемы, а следовательно, и
размерности вектора фазового состояния резко усложняется бифуркационная картина –
растёт число точек бифуркации, и в каждой такой точке ветвления рождается всё большее и большее количество рядов возможных состояний.
Сложность экосистемы, таким образом, является причиной или фактором возникновения катастрофических процессов, предсказать последствия которой тем сложнее, чем сложнее система. Поскольку при этом начальная плотность траекторий послебифуркационного развития также резко возрастает, такие траектории разделены не262
Секция математического моделирования экосистемы
большими энергетическими барьерами и из-за малейших случайных флуктаций характер изменения состояния экосистемы носит турбулентный хаотический характер. По мере последующего удаления от точки бифуркации энергетические барьеры
между возможными эволюционными траекториями возрастают и структура экосистемы
стабилизируется в состоянии, наиболее соответствующем той траектории развития,
вблизи которой она оказалась в момент стабилизации. Понятно, что более существенные случайные флуктаций и в этом случае могут перевести состояние экосистемы в
"поле притяжения" другой траектории развития, но чем больше времени проходит после катастрофы, тем уровень хаоса меньше и тем стабильнее развивается экоси стема по случайно выбранному пути.
Факт увеличения вероятности катастроф с увеличением сложности экосистем
несколько не согласуется с соотношением дивергенции и конвергенции эволюционного
развития или увеличения и уменьшения разнообразия развивающегося материального
мира. Действительно, хотя сторонники конвергенции, наблюдая похожесть различных и
далеких друг от друга живых существ, обитающих в схожих условиях, малое разнообразие кристаллических структур и элементарных частиц различных химических элементов, утверждают эволюционное сближение видов и уменьшение разнообразия, все палеонтологические данные свидетельствуют о том, что эволюция мира идет по
пути дивергенции, увеличения разнообразия, повышения сложности любых жи вых организмов и экосистем, биосферы в целом. Но тогда получается, что повышение
вероятности, интенсивности и мощности катастроф предопределено самой природой,
поскольку в результате существенно возрастает разнообразие и сложность экосистем,
то есть организация материи как бы предопределено заранее , является следст вием тех объективных законов, которым подчиняется её развитие, а законы природы, как известно, определяют пути развития всего сущего.
Такой, на первый взгляд парадоксальный, вывод наталкивает на информационную идею бифуркационных процессов, в которой ответы на проблемные вопросы следует искать на основе некоторых " принципов отбора" или законов природы, рассматриваемых как некоторое ещё до конца не изученное информаци онное поле , в лоне которого мы существуем и развиваемся. Для того чтобы исследовать те или иные эволюционные процессы, выявлять тенденции изменения
различных параметров экологических систем, подобные принципы приходится
рассматривать в качестве некоторых " эмпирических обобщений ", которые, по
выражению В.И. Вернадского [4], означают признание фактов, не имеющих объяснений, например возникновения жизни на Земле, решающей роли живого в биосферных процессах или существования обратных связей в биосфере как едином
организме. Механизмы обратных связей определяют механизмы самосохранения,
наследственности, приспосабливаемости, изменчивости, отбора, то есть все те механизмы, которые отличают живое от неживого, именно они обеспечивают обмен
информацией живых организмов, составляющих единую экосистему.
К проблеме возникновения обратных связей в живом мире относят много
фактов ещё не изученных и непонятных, например разнообразные поведенческие
особенности животных, общность и наследственность организмических черт популяций или функциональная дифференциация в сообществах . Такие информаци онные связи при надлежащей их организации позволяют прогнозировать би фуркационные процессы, изменять поведенческие функции животных и людей ,
управлять катастрофами на основе информационного базиса динамических экономических систем [5]. Для этого необходимо сформировать понятие информации
с позиций теории динамических систем или синергетики, построить динамическую
модель информационного процесса, проследить эволюцию зарождения инфор мационных потоков и динамику их ценности.
263
Известия ТРТУ
«Экология 2004 – море и человек»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пригожий И.Р., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М.: Прогресс. 1986.
2. Хакен Г. Синергетика . – М.: Мир, 1980.
3. Математические модели в экологии и генетике. – М.: Наука, 1981. –176 с.
4. Моисеев Н . Н . Модели экологии и эволюции . – М .: Знание , 1983. № 10
(Сер.Математика и кибернетика). – 62 с.
5. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. – М.: Знание, 1990. № 5
(Сер.Математика и кибернетика) . – 42 с.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА
СБРОСНЫХ ВОДНЫХ ПОТОКОВ
А.И. Пуресев, В. А. Лепихова
При оценке степени вредности сбросных водных потоков важное гигиеническое значение имеет мониторинг качественного состава и количественного содержания химических и биологических примесей сбросных потоков производственных и
жилищно-коммунальных предприятий. Разработка методик и средств контроля материальных примесей в сбросных потоках по спектрограммам дает возможность для
успешного решения существующих экологических проблем. Существующие методы
контроля гранулометрического состава водных систем характеризуются большими
затратами времени и трудоемкостью, они не позволяют оценить эффективность работы очистных сооружений, контролировать очистку, совершенствовать технологию.
Существующие методы контроля гранулометрического состава водных систем характеризуются большими затратами времени и трудоемкостью, они не позволяют
создать систему оперативного и непрерывного измерения и слежения в реальном
масштабе времени.
Развитие современных технических и вычислительных средств позволяет
решать вопрос о разработке новых методик и средств дисперсного анализа по созданию систем непрерывного контроля за сбросными потоками. Теоретические и экспериментальные исследования с использованием методов математического моделирования позволяют избавиться от взаимной зависимости некоторых параметров, оценить погрешность измерения и провести диагностику дисперсного состава движущегося сбросного водяного потока.
Одним из перспективных направлений является определение дисперсного
состава примесей в водном потоке по сигналам акустической эмиссии с выделением
подспектров Фурье [1], содержащих информацию о пофракционной концентрации.
Акустический сигнал (АС) от взвешенных частиц в сбросном водном потоке,
как всякий составной звуковой сигнал, состоит из периодических компонент. Разложение АС на элементарные составляющие, при анализе дисперсного состава взвешенных частиц в химических и биохимических примесях сбросных потоков является
ответственной операцией. Она должна обеспечивать однозначное соответствие пофракционных концентраций интервалов дисперсности примесей и отображать диагностическую роль этих интервалов в формировании акустического сигнала. Этим условиям удовлетворяет разложение АС на гармонические ортогональные составляющие,
образующие спектр, состоящий из основных и кратных им высших тембровых гармоник.
Академиком В.А. Котельниковым была доказана теорема, утверждающая,
что всякий сигнал может быть представлен дискретным набором его отсчетов через
равные промежутки времени без всякой потери информации, при условии, что частота отсчетов не менее чем вдвое превышает максимальную частоту анализируемого
звукового сигнала. Этому условию соответствуют разложения АС в ряд Фурье с по264