Колхицин купить в москве

Бронирование онлайн! Отзывы. Цены. Отель Москва. Hotel Moscow

colchicina.ru

Электронные сигареты киев

Электронная библиотека. Электронная версия

parimparom.com.ua

MyMagic-TV

MyMagic-TV

mymagic-tv.net

             Электронный журнал BioDat

ЭКОГЕОСИСТЕМЫ: ЗАКОНОМЕРНОСТИ  РАЗВИТИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ВЫБОР МОДЕЛИ

А.А. Коновалов

Институт проблем освоения Севера СО РАН, Тюмень, а/я 2774, Россия

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.
 А.Н.Радищев. Избранные философские сочинения,1949,с.281


                ЭКОГЕОСИСТЕМЫ.  Для отражения комплексного характера природных взаимодействий существует понятие геосистемы – “земного пространства всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в связи друг с другом и как определенная целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом” [17]. 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 - теперь в значительной степени от него зависит сохранность и нормальное функционирование ее систем, это понятие целесообразно развить до понятия экогеосистемы. Экогеосистема отличается  от геосистемы тем, что в нее в качестве партнера, отвечающего за устойчивость, вовлекается, интегрируется проживающий в месте ее дислокации человек (его сообщество) со своей энергетикой и ментальностью. В методическом плане введение этого понятия позволяет рассматривать системы косной и живой природы, и отдельные их компоненты, традиционно относящиеся к разным отраслям знаний – естественным, техническим и гуманитарным, с существенно (часто – принципиально) различающимся методологическим аппаратом, под одним углом зрения, "как единоутробных сродственников".
                Экогеосистемы - это иерархии взаимосвязанных гео-, био- и антропосистем. Каждый их член появился и развивается за счет вещества и энергии предыдущих, наследуя определенную общность признаков и поведения, а именно: спиралеобразную цикличность (круговращение, ритмичность) развития; повторяемость в каждом цикле участков подъема и спада; примерно составной (“матрешечный”) характер циклов; их затухание во времени.
                Цикличность экогеосистем - круговороты в них вещества и энергии, повторяющиеся последовательности условий, процессов и состояний, обусловлена, в первую очередь, астрономическими факторами: характером вращения системы Земля - Луна вокруг Солнца, колебаниями осей вращения и солнечной активности и др.
                Кроме вынужденных колебаний, экогеосистемы претерпевают и собственные колебания, вызванные столкновениями субсистем 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. 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, присущая всему живому. В антропных системах она соответствует состоянию подъема, избытка энергии и духа, которое в зависимости от контекста определяется как пассионарность, одержимость, фанатизм, кураж…. Упругость с ее непременным атрибутом - агрессивностью ответственна за саморазвитие, понимаемое как повторяемость, циклическая последовательность стадий развития экогеосистемы. От нее зависит место в "пищевой" пирамиде, выживаемость, воспроизводство и долговечность.
                 Каждое столкновение, воздействие (первый толчок  инициируется извне) производит серию затухающих колебаний, постепенно возвращающих систему в равновесное состояние. Так, отмечается уменьшение со временем длительности геологических эр, теплых и холодных эпох, регрессий и трансгрессий моря, сокращение периодов колебания населения Земли и исторических событий [6,8]. Собственные колебания по инерции продолжаются в течение длительного времени и после стабилизации внешних условий. Они создают внутренние ("нижние") граничные условия развития, обеспечивающие обратные связи, усиливающие или подавляющие прямые, посредством которых передается внешнее воздействие. По мере “заглубления” 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, когда системы неравновесны и неустойчивы. На зрелой стадии 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 в настоящем - это, примерно, средняя температура поверхности в прошлом, в начале формирования криолитозоны. Постоянная температура тела высших животных - это средняя температура среды в месте и на период их зарождения как жизненной формы. Температура поверхностного слоя на Солнце близка к температуре в центре Земли – около 6000°С. Прошлое не теряется, а сжимается, упаковывается внутри настоящего.
                При внешнем толчке достаточной силы, возникает явление резонанса, когда частоты колебаний субсистем разного уровня совпадают, их амплитуды, пропорциональные силе инерции движения, складываются, достигая значений, превышающих предел прочности их связи, и система скоротечно разрушается.   На рис.1 орбита вращения Земли вокруг Солнца, близкая к круговой, развернута в спираль S, высотой h. Примерно такую же форму имеет и развертка орбиты вращения Земли вокруг своей оси. В обоих случаях по положению Земли относительно Солнца (по интенсивности освещения) выделяются 4 стадии (четверти года - кварталы), явные: весна, лето, осень в годовом цикле и утро, день, вечер - в суточном, и  скрытые : зима, ночь. 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 (волнообразный) 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, 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.

                  Т.е. приливной (механический, силовой) цикл примерно подобен солярным (энергетическим) - годовому и суточному с коэффициентами подобия 12 и 2; 1 час приливного цикла соответствует месяцу - 30 суткам, в годовом солярном 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 30=12ln12~ln(vэ), где nэ ~1012 …1013 сек-1 – средняя частота тепловых колебаний атомов; а lg(vэ)~12 …13.
                   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. 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.1) и допущение их пропорциональности, то сравнение этих цифр (90% и 25%) говорит о молодости Земли, пребывании ее на подъеме, в стадии "весны".
                   Земля вместе с Солнцем и Луной составляет практически замкнутую (обратимую) мегасистему, в которой выполняются законы сохранения. Рост необратимости (энтропии) в результате трения и тепломассообмена, вызывающий понижение потенциала энергии в каждом цикле, а в итоге – затухающую ритмику и конечность существования, наблюдается в экогеосистемах меньшего ранга.
                 Таким образом, вращение Земли является движущей силой эволюции, как бы ее 4-тактным двигателем, работающим на энергии Солнца. 4-стадийная (- тактная) траектория развития, задаваемая вращением Земли, присуща земным системам любой природы: геолого-географической, биологической, информационной, социальной…, любого ранга и размерности. Она определяет основные возрастные фазы их "жизненного" цикла: зарождение, становление (молодость, расцвет), зрелость, старение и гибель.
                 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”[13]. Зажигаются и гаснут звезды; вздымаются и разрушаются горы; рождаются и гибнут биологические особи и популяции, социумы, государства и цивилизации. Новое рождается на обломках старого, за счет их энергии и массы.
                Идея цикличности и стадийности развития лежит в традиции российской философской мысли. Еще М.В.Ломоносов [1] писал, что “начинаются народы, когда другие рассыпаются, одно разрушение дает происхождение другим”. К.Н.Леонтьев задолго до Шпенглера и Тойнби выявил цикличность развития государств, народов и культур. Он сравнивал ее с “фазами онтогенеза, где есть эмбриональный период, рост и расцвет всех возможностей, угасание и смерть” [13]. 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 [12], развитие - это “непрерывное образование новых форм организации, их неизбежное разрушение, последовательные переходы от одних состояний к другим”.

                ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕРМОВЛАЖНОСТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ, БИОПРОДУКТИВНОСТЬ.  Влияние вращения Земли на физико-географические процессы  осуществляется посредством тепловлагообмена между атмосферой, в основном тропосферой, и верхней частью  литосферы - в пространстве, в общем совпадающем с биосферой – главной экогеосистемой. В его основе лежит противоположная направленность гравитационного (к центру Земли) и термического (от центра) градиентов, обеспечивающая 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, формирующейся 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.
                   Результирующее “силовое” поле у поверхности Земли имеет два измерения: зональное (примерно широтное), связанное с поступлением солнечного тепла, шарообразной формой Земли и режимом ее вращения, и азональное, связанное с поступлением влаги, отражающее степень отдаленности данного места от главного источника влаги – Мирового океана. Координатами этого поля являются, соответственно, годовой радиационный баланс В и индекс сухости J=В/Lr, где L-скрытая теплота парообразования, r – годовая сумма осадков (В/L имеет смысл испаряемости – максимально возможного испарения) [3,5]. Разные сочетания тепла и влаги, выраженные через эти величины, определяют уровень развития, интенсивность и пространственные закономерности биотических, гидрологических, почвенных, гляциологических и других природных процессов, ответственных за разнообразие природных комплексов (ландшафтов). Главную роль в дифференциации природных условий, в создании “лика Земли”, все же играет зональность. В терминах механики, это, так сказать, шаровой тензор, отвечающий за круговую (поясную) форму изолиний напряженного поля биосферы (и физико – географической среды в целом), примерно совпадающих с линиями широт, а азональность – это дополняющий его девиатор, вызыващий искажение зональности. Главенствующая роль солнечного тепла видна и из выражений полевых координат: вторая координата J сама зависит от первой - В.
                    Географическая зональность обусловлена характером теплового поля биосферы, токи которого, фиксируемые по среднегодовым температурам, направлены от литосферы к атмосфере и от экватора к полюсам. Это вызывает формирование на поверхности Земли в обоих полушариях  примерно симметричных термических поясов [2] с однотипными климатическими условиями: полярного (I), бореального (II), суббореального (III), субтропического (IV) и тропического (V), образующих между полюсами подобие “стоячей” волны, соответствующей стадиям орбитального обращения “зима – лето (экватор) – зима”, и наличие в тропосфере сферических прослоев, соединяющих через плоскость экватора одинаковые термические пояса северного и южного полушарий, и имеющих те же термо – влажностные условия (рис.2). Эти невидимые тропосферные прослои проявляются на

склонах прорезающих их гор вертикальной географической поясностью.
                Полярный и бореальный пояса лежат в криосфере – области, включающей части тропосферы, атмосферы и литосферы с отрицательными среднегодовыми температурами. В литосфере - это зона сезонно – и постоянно мерзлых (вечномерзлых) грунтов; зона постоянно холодного воздуха, фиксируемая по отрицательной температуре самого теплого месяца, лежит выше полярного пояса. Границы криосферы в тропосфере примерно совпадают с областью производства (конденсации и сублимации) из водяного пара основной массы жидких и твердых осадков. Ниже и выше их образование затруднено, ниже: из-за недостаточно низкой температуры воздуха, выше: из-за малого содержания в нем влаги. Зона образования твердых осадков – криоплювиосфера, расположена примерно между изотермами минус 10 и минус 200С (где происходит обледенение самолетов). На Земле она фиксируется областью покровного оледенения. Совокупность этих тропосферных прослоев имеет вид элипсоида вращения. Его ось совпадает с осью Земли, а внешняя граница – с верхней границей криоплювиосферы, отпечатывающейся на Земле ледовым покровом на обоих полюсах и вершинах гор [9]. Вращение элипсоида, в общем уравновешенное с вращением Земли, его 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. Обусловленность колебаний климата и физико-географической обстановки в целом подобными “приливами” и “отливами” термовлажностных условий к экватору и от него приводит к тому, что приэкваториальные территории оказываются менее других подверженными климатическим колебаниям, а их ландшафты - наиболее долговечными и консервативными [7], в максимальной степени отражающими внутренние (собственные) закономерности эволюционного процесса, как функции времени.
                   На рис.3 приведены графики зональности геоботанических комплексов, а также годового стока St (разницы между осадками и испарением)- показателя интенсивности внутреннего влагооборота, в общем заимствованные из [3], но отличающиеся тем, что на оси В выделены пять перечисленных выше термических поясов, а на оси J – входящие в них области, дифференцированные по влажности [2].
                Ось, точнее полоса симметрии, J=1 - место равновесия тепла и влаги, где, согласно [3], условия обитания наиболее благоприятны. При J<1 они ухудшаются из-за дефицита тепла, при J>1 - из-за дефицита влаги. Ось симметрии находится где-то между лесной и степной зонами. Значения J=0,33 и J=3, совпадающие с границами постоянной (непрерывной, климатически детерминированной) фитосферы, взаимообратны и на логарифмической числовой шкале симметричны: ln(J)=-ln(1/J). За этими пределами располагаются зоны холодных (высокоширотных, арктических) и жарких (низкоширотных) пустынь, где фитосфера эфемерна, прерывиста во времени и пространстве. Ее появление здесь связано с положительными флуктуациями тепла – в холодных пустынях и влаги – в жарких. Пределы этой “островной” фитосферы, примерно совпадают с изолиниями J, равными 0,3 и 3,3 [3], которые также взаимобратны.
               Долговечность биосферы, нормальное (циклическое, волнообразное) функционирование ее систем

в условиях конечной продолжительности их существования зависит от репродуктивной (компенсационной) способности, основными показателями которой являются ежегодная чистая первичная продукция Pr и биомасса растительного покрова Bm. На рис.4, взятом из [3] показана зависимость величины Pr от радиационного баланса В и индекса сухости J. Из него видно, что максимум продуктивности при всех значениях В совпадает не с осью равновесия тепла и влаги  J=1, а с J~0,62. Это можно объяснить тем, что величина Pr зависит от валового увлажнения территории w, которое меньше осадков (r, см) на величину наземной составляющей стока; в среднем w ~ r/1,5 [19]. Единица больше 0,62 также в 1,5 раза. Т.е., J=0,62 соответствует равновесию тепла и валового увлажнения , а не осадков.

    В табл.1 приведены средние величины Pr и Bm для разных термических поясов (нумерация дана по рис.2) и входящих в них гумидной (А), семиаридной (В) и аридной (С) областей по данным [2].

Таблица 1
 Распределение Pr, т/га.год и Bm, т/га (в скобках)

Индексы
разделов
I II III IV V
A1,6 (17,1)6,5 (189,2)12,6 (342)25,5 (366)29,2 (440,4)
B - -8,2 (20,8)13,8 (98,7)14,1 (107,4)
C - -2,8 (11,7) 7,3 (13,9) 2 (7)
Cреднее1,6 (17,1)6,5 (189,2) 7,9 (123,6)14,2 (133,5)18,5 (243,3)

                   Из рис.3 видно, что зависимость Pr от В и J с некоторым допущением можно представить как функцию только одного, "водного" аргумента - годовой суммы стока St или, c учетом эмпирической формулы [3]

St = 28-0,86r,       (1)

осадков; очевидно потому, что масса организмов – это, в основном, вода. График зависимости Pr от St (рис.5) построен по данным рис.3 и 4. Здесь же приведена аппроксимационная формула и ее достоверность (R2). По этой формуле при Pr=0 вычислим минимальную величину стока Stmin=1,3 см/год,- порог, за которым растительность теряет репродуктивную способность, и выразим через нее Pr


 
 

Pr=5,4ln(St/Stmin)               (2)

                    Множитель B=5,4 т/(га.год), играющий роль коэффициента размерности,- своего рода аналог удельной постоянной Больцмана в известной формуле энтропии [21], предел устойчивости системы. Он наступает при ln(St/Stmin)=-ln(Stmin/St)=1. Отношение (Stmin/St)=р – имеет смысл доли “элементарной” частицы в системе или ее вероятность, а ln(р)=Sк – энтропии (по Колмогорову). Положительное значение Pr отвечает реальной растительной продукции, причем при р=(St/Stmin)>2,72 - ее устойчивому состоянию.
   С помощью (1) выразим Pr в формуле (2) через осадк r:

Pr=5,4ln(21,5-0,66r)         (3)

                    Максимум Pr, вычисленный по формуле (2) при максимальном стоке St=200 cм/год [3], равен Prmax=27,3 (т/га.год), средняя величина – Prср=(27,3+0)/2. C учетом этого приведем (2) к виду:

Pr/Pr=0,39ln(р)=0,39Sк              (4)

               О ДИХОТОМИИ СИСТЕМ.  В [11] показана возможность представления климатических подсистем в виде дихотомий (оппозиций) обобщенных показателей теплого и холодного периодов года, сумма которых в нормированном виде постоянна и равна 1, что олицетворяет единство этих “борющихся противоположностей”. В качестве таких дихотомий могут служить суммы температур и осадков, максимальные и минимальные за год температуры и др. Такой подход позволил найти удобные формулы взаимосвязи  большинства климатических элементов, контролирующих биосферные процессы, выразить их в общем виде, пригодным, как оказалось, и для расчета систем другой природы, в частности, групповых палиноспектров [11], в определенной степени характеризующих состав и репродуктивную способность растительности. В качестве расчетной модели дихотомии взят прямоугольник, сумма прилегающих сторон которого (d1+d2) равна 1. Удлинение (сокращение) одной из сторон вызывает такой же величины сокращение (удлинение) другой. Сумма сторон при этом остается постоянной, а изменяется площадь С=d1*d2= d1(1-d1). В обобщенном виде это квадратное уравнение записывается так [11]:

Соб=1-D2об,                (5)

где Соб=С/0,25;  Dоб=(d1-0,5)/0,5=(0,5-d2)/0,5=d1-d2; d1>d2.
                    Например в дихотомии теплого и холодного периодов года под d1 и d2 понимаются их отношения к годовому отрезку времени; в дихотомии экстремальных температур – отношения температур самого холодного и самого теплого месяцев к амплитуде колебаний температур. Т.е. d1 и d2 имеют смысл вероятностей или долевого содержания в общей сумме.
                    Функционирование (жизнь) любой системы можно свести к изменению ее емкости (энергоемкости) до предельного объема, за которым следует ее разрушение. Примем его равным 1 (100%). Тогда, с помощью дихотомной абстракцию этот предельный безразмерный объем системы на любой момент времени можно представить как сумму двух объемов: занятого “веществом” (материей) системы (Соб) и свободного, пустого (1-Соб)=Сэ, используемого для его движения (работы, включая собственное воспроизводство). Эти два условных объема находятся в динамическом равновесии, рост одного вызывает убыль другого, без нарушения постоянства их суммы. Анализ графика функции Соб от Dоб на рис.6 при n=2 и Dоб >0,1 показал, что зависимость параметра Сэ, ответственного за продуктивность системы, от DA=1-Dоб очень точно, с достоверностью R2=0,99 описывается формулой того же типа, что и (3):

Сэ=0,382ln(1/DA)        (6)

                   Т.е. обнаруживается тесная связь биопродуктивности с обобщенным параметром Соб, через который, как уже говорилось, можно выразить любую дихотомию.

                ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ.  Формула вида (5) с произвольным показателем степени  (n) –

Соб=1-Dnоб                   (7)

отражает противоборство аргумента X=Dnоб и функции Y=Cоб - математических абстракций, под которыми можно понимать любые оппозиции: лето-зима, суша-море, подъем-спад, акция-реакция и т.д.
                  Каждая экогеосистема представляет собой иерархию подсистем меньшего ранга (порядка). Мерой упорядоченности служит показатель степени аргумента – n=1,2,3,4,…. Нулевой показатель степени означает полный беспорядок, хаос, n=1- линейность функции. При n=2 функция Соб от Dоб двухмерна, плоска, при n=3 – трехмерна и т.д. Значение n=2 - наиболее распространенное, поскольку все формообразующие поверхности можно разложить на плоские фрагменты. Целые числа n соответствуют четким границам между фазовыми состояниями (разными структурами) системы, разным траекториям (орбитам) их движения (развития); дробные, промежуточные, заключают в себе причудливый мир фракталов с его расплывчатыми, труднопредставимыми формами.
    При всех n с увеличением Dоб  величина Соб умеьшается. Существует точка, в которой они выравниваются, функция становится равной аргументу: Соб=Dnоб=M. Очевидно, что в этих точках система максимально равновесна  и устойчива. Значения M, рассчитанные с помощью (6) при разных n cведены в табл.2.

 Таблица 2
Величины максимальной равновесности M на разных уровнях n

nMnMnM
10,570,79654140,86618
20,6180380,81165160,87727
30,6823390,82430180,88624
40,72449100,83508200,89390
50,75488110,84440230,90338
60,77809120,85255310,92138

                     Величина M=0,618 при n=2 и обратная ей: 1/М =ф=1,618 – не что иное, как Золотое сечение. Это наиболее часто встречающаяся пропорция части и целого во всех системах Мироздания, известная со времен строительства египетских пирамид, если не раньше [16, 18]. Остальные члены ряда в табл.2, который называется Обобщенным Золотым Сечением (ОЗС) [16, 18], соответствуют идеальным пропорциям на других уровнях упорядоченности (при других целых n). Удалось установить, что каждый  член этого ряда (Мn) с погрешностью меньше 0,1% равен (Мn-1)z, где z=0,51/n.
                     Теперь проясняется смысл численных коэффициентов в формулах (4) и (6). Это пропорции Золотого сечения. В состоянии равновесия (при Sк=1) величина Pr/Prср=0,39~1-М, а Соб =1-0,38=0,62=M. Величина индекса сухости J на рис.4, при котором биопродукция Pr во всех географических зонах максимальна, также примерно равна 0,62. Обзор фактического материала показывает, что распределение многих параметров геосистем и их компонентов по пространству, времени, другим степеням свободы тоже подчиняется пропорции Золотого сечения. Вот примеры, касающиеся геосистемных показателей, использованных в данной статье:
                1) Максимальные значения индекса сухости в Северном полушарии приурочены примерно к 22-й параллели, на этой же широте наблюдаются и минимумы продукции растительного покрова и запасов фитомассы [7, стр.78…79]. Эта параллель делит угловое расстояние между полюсами Земли в соотношении (90-22)/180=0,38 и 112/180=0,62.
                2) Выше показано, что границы устойчивой фитосферы по координате J взаимообратны, причем ее левая граница на  рис.3, лежит в пределах J=0,33…0,4 [3]. Примем за граничное J=0,37. Тогда на другой (правой) границе J=1/0,37 = 2,7 – осевое значение J=1 делит эту область в пропорции, близкой к Золотому сечению 0,37 и 0,63.
                3) Из графика распределения среднегодовой температуры воздуха у земной поверхности [3, стр.235], видно, что среднеширотное значение этой температуры, для всей Земли равное 16оС, приходится примерно на 36-ю параллель. Эта параллель делит угловое расстояние между экватором и полюсом в пропорции 40 и 60%, что близко к Золотому сечению.
                4) Гармонии Золотого сечения следует распределение выделенных (критических для жизни) точек на температурной шкале существования воды (льда). При температуре 37…38oC вода обладает максимальной энергией обмена [20]. Примерно в этом, на 2-3 градуса большем, диапазоне температур устойчиво функционируют все высшие (гомойотермные) животные. Жидкая фаза воды появилась из пара при остывании поверхности Земли до 100о и перейдет в твердую при 0оС. Пройденный путь до точки с максимальной энергией обмена составляет 100-38=62о или 62%. Если же брать диапазон 100…4оС (4оС– это температура максимальной плотности воды и, примерно, начало вегетационного периода холодостойких растений), то максимум метаболизма, согласно пропорциии Золотого сечения достигается при температуре 36,6оС. При высоких давлениях жидкая фаза воды существует и при отрицательных температурах, но начиная с температуры –22 оС и давления 2200 атм, она приобретает новые свойства [15, 20]. Нетрудно подсчитать, что в диапазоне существования “нормальной” воды от 36,6 до минус 22оС (36,6+22=58,6о), центр  равновесия в пропорции Золотого сечения (0,62 и 0,38) совпадает с 0оС.
                   Само распределение воды и суши подчиняется пропорциям ОЗС [18]: в Северном полушарии суша занимает 100 млн км2, вода - 155 млн км2, или, соответственно, 39 и 61%; в Южном .полушарии суша занимает 49 млн км2  (19%), вода - 206 млн км2 (81%); на Земле в целом суша занимает 149 млн км2  (29%), вода – 361 млн км2 (71%). С точностью до процента соотношение этих оппозиций отвечает (см. табл.2) значению М при n=2 в Северном полушарии, при n=8 в Южном, при n=4 на Земле в целом.
                5) Число  ф~1,618 и его обратная величина M=0,618 - тесно связаны с последовательностью Фибоначчи: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8…, также издавна используемой для описании циклических структур, их поступательного развития на любом уровне [16…18]. В этом ряду каждый последующий член равен сумме двух предыдущих, а начиная с пятого, отношение последующего к предыдущему с погрешностью меньше процента равно 1,62. Этому правилу довольно точно следует распределение суммарных величин продукции Pr по термическим поясам (табл.1), начиная с суббореального. Согласно ему величина Pr(т/га) здесь  должна быть равной 1,6+6,5=8,1, а фактически Pr=7,9; в субтропиках - 6,5+7,9=14,4, а фактически 14,2; в тропиках - 7,9+14,4=22,3, а фактически 18,5.  Выразим значения Pr этого трехчленного ряда в обобщенном виде (нормируем по единице):
                I. (7,9-7,9)/(18,5-7,9)=0;
                II. (14,2-7,9)/(18,5-7,9)=0,594;  
                III .(18,5-7,9)/(18,5-7,9)=1.
Получаем дихотомию: 0,594 и 0,406. Осевая точка М=0,594 (или 1/М =1,68) всего на 3% не дотягивает до Золотого сечения.

                  ДЕФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ.   Экогеосистему можно представить совокупностью гибких связей ее элементов - условно неделимых и недеформируемых частиц (“атомов”), обладающей энергией, которой она обменивается со своим окружением. Обмен сопровождается деформацией связей и подвижками частиц. Отвлекаясь от природы частиц и механизмов их взаимодействия, эволюцию экогеосистем можно трактовать обобщенно, как накопление деформаций (или работы) связей. Подобный, “энергетический”, подход применяется в термодинамике и синергетике. Он не подменяет изучение сложных природных процессов и структур, составляющих в различных сочетаниях специфику различных экогеосистем, а дополняет его, являя с ним одно целое. Такой подход удобен тем, что общие закономерности 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. Выбор этой модели обусловлен близостью реальных температур к точке плавления льда (его “смерти”), т.е. малой и достаточно просто регулируемой в опытах длительностью “жизненного” цикла модели.
   Мерзлый грунт под постоянной нагрузкой, постепенно разрушается, проходя 3 явные стадии деформации  [4]: с убывающей, примерно постоянной и возрастающей  скоростью, и одну скрытую, не наблюдаемую (рис.7).
   Такие же стадии выделяются на деформационных кривых всех твердых тел [14]. Их можно сопоставить со стадиями, выделенными на орбите вращения Земли (рис.1), ассоциируя и те и другие с возрастными фазами функционирования биосистем: весной (расцветом, молодостью), летом (зрелостью), осенью (деградацией, старостью) и зимой.

                Для удобства обобщения деформацию целесообразно выражать в относительном виде: j=(hн-h)/(hн-hэ), где hн и h – начальная и текущая высота тела (в общем случае – это начальный и текущий показатели любой субстанции), hэ - высота (диаметр) его "элементарной" частицы. Величиной hэ обычно пренебрегают из-за малости. Общая деформация j, включающая упругую, пластическую и разрывную, постепенно растет. Упругая, отражающая изменение внутренней  энергии, на 1-й стадии растет до максимума, на 2- й растрачивается, практически полностью. На 3-й стадии мерзлое тело разрушается: а)пластично, когда ледяные связи оттаивают и тело “растекается”;  б) хрупко, когда при низких температурах и (или) больших нагрузках связи рвутся (исчезают, сублимируются) и тело разваливается на части. В последних восстанавливаются начальные условия, что позволяет рассматривать их в качестве потомков “родительской” системы. При той же нагрузке они и ведут себя подобным образом, деформируясь и дробясь на более мелкие части и рассеиваясь в пространстве. В геологии это один из основных механизмов литогенеза.
                     Время между развалом тела и 1-й стадией нового цикла является 4-й, "эмбриональной" стадией развития, на которой скрытно появляется зародыш новой структуры, генетически связанный со старой и наследующий ее свойства.
                   На рис.7 хорошо выражены и такты, объединенные в полупериоды подъема (упрочнения) и спада (разупрочнения). Конец 2-й стадии, где j близка к уменьшению объема льда при плавлении jп ~ jпл = 0,083 [15], является пределом существования льда – его долговечности tп.

                  ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ.    Связь между давлением Р, температурой Т(К) и объемной деформациией jпл фазовых превращений  влаги, определяющими долговечность мерзлого тела регламентируется законом Клапейрона-Клаузиуса:

tф = Р(Vл - Vв)To /Qпл=Рk;         Рф=t/k,         (8)

где tф =|Т-То| - температура плавления льда (-оС) при Р>0; To = 273(К) - температура плавления льда при Р=0; Vл и Vв - удельный объем льда и воды; Qпл – скрытая теплота плавления; k ~ 0,08oC/МПа.
                   Показано [10], что средняя энергия тепловых колебаний атомов BТ ~ 0,5QплТ/То, а Qс/Qпл ~ jс/jпл , где В=0,46 кДж /(кг.оС)– удельная газовая постоянная льда; Qс =2834 кДж/кг - удельная теплота сублимации, jс ~ 1 – изменение объема тела (деформация) при его сублимации.
                 Давление, определяемое из (8), имеет смысл мгновенной (максимальной) прочности Рm, т.е. давления, которое может выдержать тело одно “мгновение” (tэ ~ 10-13 сек - средний период тепловых колебаний атомов [14]). Найдем выражение длительной прочности мерзлого грунта Р<Рm при долговечности tп, соответствующей предельной деформации jпл. Относительному изменению долговечности - Dt/tп противостоит  относительная работа разрушения ледяных связей -     DРVл/(РmDV), где DV=(Vл-V), причем в момент разрущения V=Vв. Уравняем эти оппозиции, заменив Dt и DР на дифференциалы: dt/tп = dР/(Рm jпл); интегрирование уравнения дает:

Р/Рm=(Рk/t)=(tэ/tп)jпл                   (9)

               Формула хорошо согласуется с фактическими данными [10]. Несложно доказать, что справедливость (9) не нарушится, если вместо Рm брать в качестве начального, значение Рн, замеренное на минимально возможный срок от начала опыта tн ("элементарный" отрезок времени, "эмбриональный" этап развития), придавая паре Рн и tн статус условно-мгновенных прочности и долговечности. Тогда отпадает необходимость определения сложных параметров tэ и k и (9) существенно упрощается:
                                                                        Р/Рн=(tн /tп)0,083               (10)

              При анализе обнаруживается подобие свойств системы вода-лед, выраженных в виде отношений целого к части (количества частей) и близость их к кэффициентам подобия главных вращательных циклов Земли 12 и 2 (см. выше). Так отношение температуры оттаивания обычного льда (0оС) к температурному диапазону его существования [0-(-22)]оС на термодинамической шкале равно: [273/(273-251)]~12; при t=-22оС (Qс /Qпл)~12, (Qпл /BT)~2, а  (Qс/BT)~2.12=24;  (jс /jпл) ~ 1/0,083=12.
               Анализ показал также, что значения Р/Рн, определяемые формулой (10), соответствуют пропорциям ОЗС при изменении tн /tп в порядке уменьшения календарных отрезков времени: года, полугодия, квартала, месяца, недели… или их частей. Примем  tн=1час и определим количество часов (количество "элементарных" отрезков времени tп /tн) в: полугодии, полумесяце, 1/2, 1/4, 1/6 и 1/8 недели. Получаем, соответственно: 4380, 365, 91, 46, 30 и 23. При tн=1сутки  эти же числа (4380, 365,…) означают количество суток в: 12(11) годах (период основного цикла солнечной активности), году, четверти года (квартале, стадии), полуквартале, месяце и четверти квартала.   Возведение в степень 0,083 их обратных величин, т.е. расчет Р/Рн по формуле (10), дает ряд: 0,497; 0,613; 0,687, 0,728; 0,753 и  0,771, практически совпадающий с ОЗС (табл.2), а отношение ln(tн/tп) к ln(Р/Рн) всегда равно 12.
                   В [10] из формулы (9) выведено уравнение хода деформции во времени t <= tп:

J=j/jпл2 =ln(t/tэ)/ln(Рm/Р)                (11)

                Как и (9), его можно упростить, если вместо tэ  и Рm брать tн  и Рн  и отсчитывать j и jпл  от деформации jн  на момент tн. Уравнение  (11) апробировано при j <= jпл [10], но теоретически пределом изменения j является  jс~1. Тогда J=1/jпл2 =144, а долговечность tп = tэm/Р)144 при нагрузке, отнесенной к мгновенной в пропорции Золотого сечения - Р/Рm=0,618, равна 1017,1 сек ~3,9млрд лет (продолжительность криптозоя).
               Таким образом, поведение нагруженного 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 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, 2001. № 3. С. 175-181.
2. Базилевич. Н.И., Родин. Л.Е., Розов. Н.Н. Мат. V съезда Геогр. общ. СССР, Л, Наука, 1970, 28 с.
3. Будыко. М.И. Климат и жизнь, Л, Гидрометеоиздат, 1971,471 с.
4. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 448 с.
5. Григорьев. А.А. Изв. АН СССР, сер.геогр., №№ 5,6, 1954.
6. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990. 559с.
7. Исаченко А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районировани, М., Высшая школа, 1991, 366 с.
8. Капица С.П. и др. Синергетика и прогнозы будущего. М.: Наука, 1997. 285 с.
9. Коновалов А.А.К вопросу о динамике подземного оледенения // Подземный лед, М., МГУ, 1965, с.40-50
10. Коновалов А.А. О деформации и разрушении мерзлых грунтов. Криосфера Земли, 2002, т.VI, 4, с. 54-62.
 11. Коновалов А.А. Связь показателей биопродуктивности и климата и пропорции их распределения. Вестник экологии. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2005. Вып. 6. С.69-80
12. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М.: Наука, 1987. 304 с.
13. Основы философии. М.: Владос, 1997. 320 с
14. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
15. Савельев.Б.А. Гляциология, М., МГУ, 1991, 288 с.
16. Сороко Э. М. Структурная гармония систем. Минск: Наука и техника, 1984. 264 с.
17. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 318
18. Тимашев А.Р.  http://tech.freelook.msk.ru/?gl=science&dir=alt&fl=zoloto01.
19. Физико-географический атлас Мира.  Л.: Гидрометеоиздат, 1964, 275 с.
20. Фрадкин Б.З. Белые пятна безбрежного океана. М., Недра, 1983, 96 с
21. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 847с.


Автор - Коновалов Александр Александрович,
гл.н.с. Института проблем освоения Севера РАН, д.т.н., к.г.н
 625048  Тюмень, ул. М. Тореза, дом 2, кв.210     
тел (3452) 40-19-89
E-mail: konov@newmai.ru