Оглавление

ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТЬ КОНЦЕПЦИЙ ЦИКЛИЧНОСТИ И ФРАКТАЛЬНОСТИ В АНАЛИЗЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Ю.С. Малышев
Институт географии СО РАН, Иркутск

        Периодичность и квазипериодичность различных природных проявлений (климатических условий, урожайности хозяйственно ценных культур растений, прироста деревьев, численности диких животных, возбудителей болезней и многое другое) является одной из основных проблем для широкого круга наук, имеющей как фундаментальное, так и прикладное значение. Способность прогнозировать такого рода изменения служит показателем степени вскрытия имманентной сущности явлений, развитости аналитического и концептуального аппарата науки.
        Анализ проблемы цикличности природных явлений, длительное время проводившийся на фоне ограниченного учета пространственных (топологических) аспектов реализации природных процессов, к исходу прошедшего столетия по сути зашел в тупик. Новый импульс в проработке этой проблемы дает концепция фрактальности, которая в сочетании с иерархическим подходом к циклическим процессам позволяет связать воедино разнородную информацию, накопленную различными науками о Земле. Во многих науках сформировались представления о пространственной синхронизации циклических проявлений (Дроздов, Григорьева, 1971; Глызин, 1994,1998; Мазепа, 1998; Акименко, Евстигнеев, 1999; Синюкович, 1999; и др.). Такого рода "синхроциклорайоны" явно свидетельствуют о фрактальной организации природной среды и что самое важное - именно "динамичной фрактальности". И одной из основных проблем является возможность и способы взаимоувязки фрактальных и циклических иерархий.
        Основой для постановки проблемы диагностики рангов циклов проявления природных процессов (да и самого существования этого феномена) может стать представление о фрактальной организации земной поверхности. Если существует ее иерархическая организация (а она безусловно существует, хотя бы в виде иерархии водосборных бассейнов - см. напр.: Поздняков и др., 1996; Пузаченко, 1997), значит существуют силы, организовывающие фракталы разной размерности. Если существует силовое поле фракталов, значит они способны воспринимать некоторую сигнальную информацию (водитель ритма). Разная размерность фракталов предполагает и различную (избирательную) восприимчивость их к внешним воздействиям. Фракталы малой размерности более чувствительны и способны принимать внешние сигналы большей частоты и меньшей интенсивности. Фракталы более высокого иерархического уровня являются более "грубыми" приемниками, поэтому резонируют с более низкочастотными и сильными воздействиями. Их резонансное возбуждение перекрывает "самость" подчиненных фракталов и переводит их в синхронный режим реагирования. Реакция такого рода соответственно будет более выраженной. С этих позиций под выделяемыми "синхроциклорайонами" скрываются фракталы, разные иерархические уровни которых являются чем-то вроде антенн, настроенных на восприятие определенных внешних воздействий. Существенно, что эти антенны как природные "камертоны" настроены на восприятие вполне определенных воздействий. Природа этих воздействий в ряде случаев уже выявлена (например, солнечно-земные связи), однако можно не без оснований предполагать и существование еще не распознанных энергетических, и самое главное, информационных каналов связи. С этим и связаны эффекты синхронных проявлений эффектов разного масштаба - на фоне внешне хаотических изменений "вдруг" появляются согласованные пульсации. До сих пор вряд ли можно утверждать, что уже подобран соответствующий инструментарий для фиксации и интерпретации ритмических природных процессов разного плана. Не все так просто и в области межфрактальных взаимодействий разного иерархического уровня. Сильное воздействие кроме внутрифрактальных модуляций, вызывающих синхронизацию реакций подчиненных фракталов (по сути синергетическую реакцию), может вызвать и сверхреакцию (порождающую хаос более высокого уровня) или своеобразную "глухоту" (по аналогии с аллергией и иммунодефицитом на уровне организмов). Такого рода реакции можно выявить лишь на фоне широкого информационного поля, которое в настоящее время еще не сформировано, поэтому здесь простирается широкое поле для исследований.
        В настоящий момент необходимо исходить из представления, что фрактальность и циклы - две стороны одной "медали". Пространственное отображение процессов имеет черты фрактальности, временное отображение динамики фракталов воспринимается как циклы. Или иначе - при реализации в пространстве циклы имеют фрактальный вид, а фракталы во времени волновой.
        Реализация строгой фрактальности, как и идеальной цикличности предполагает высокую изоморфность объектов и однородность их сред существования. Поскольку в реальности эти условия не соблюдаются, постольку мы и имеем дело в природе лишь с подобием фракталов и циклов. Тем не менее, путь с позиций доминирования пробабилистической детерминации пространственных и временных реализации природных явлений вряд ли может привести к успеху в решении прогностических задач. Случайности, не связанные системно-ситуационными зависимостями в констелляции не дают возможность определиться хотя бы с прогнозируемым "коридором трендов". Совершенно необходимо пытаться все-таки максимально выявлять ту объективно-закономерностную основу, на "матрице" которой реализуется временная и пространственная динамика интересующих нас явлений. В этом смысле концепция иерархии природных циклов в связке с их фрактальной организацией представляется перспективной основой для вскрытия той детерминирующей основы, на которую наслаиваются случайные и не совсем случайные явления (определяемые ситуационно-позиционными отношениями - эффектами положения, соседства, влияниями возраста, предыстории и т.п.). Разумеется, любое конкретное проявление природных процессов можно считать результатом совокупности случайных обстоятельств (и так оно всегда и есть в какой-то части или аспекте). Но тогда остается лишь констатировать происходящие изменения без надежды получить прогнозный коридор возможных изменений приемлемой "ширины". Само наличие подобного коридора величин многих показателей, полученных в результате измерений непосредственно в природе, свидетельствует о наличии определенных закономерностей, задающих хотя бы нижние и верхние значения параметров и некоторых "правил" в их временной и пространственной динамике. Анализ связей - значения параметров - состояние объектов - состояние среды, а также их суперпозиций, вероятностей соседствующих сочетаний значений переменных и т.д., помогает продвигаться в сторону расширения фактологической и феноменологической базы прогнозов.
        Наличие в природе целой серии "параллельных" разноплановых и разночастотных циклических процессов, их взаимоналожения и взаимодействия, влияние предыстории (системной памяти), специфики конкретных объектов и их состояний, посредством изучения которых и исследуются циклы, искажения в иерархической фрактальной организации ландшафтной сферы (а в ряде случаев, вероятно, и отсутствие выраженной фрактальности) неминуемо должно приводить к большей или меньшей хаотизации циклики абио- и биотических компонентов. В некоторых случаях хаотические составляющие могут даже доминировать. Однако накопленные к настоящему времени материалы в большинстве случаев все же позволяют говорить о существовании закономерной составляющей в спектральных рядах. Специальная проработка проблемы иерархии циклических процессов во всяком случае даст основания для более определенных выводов о сравнительной распространенности циклических и хаотических составляющих в процессах динамики природных объектов, определиться в вопросах, где следует и где не следует искать выраженные ритмические процессы и какова прогностическая ценность типовой информации о динамике компонентов природной среды. Вряд ли следует рассчитывать на получение прорывных результатов в этой области знаний, тем не менее, совершенно очевидной выглядит необходимость внесения большей определенности в эту сферу давнего интереса разных наук, что должно иметь и заметные последствия в широкой области практических приложений. Увлекательный мир живой динамики природы, безусловно, не может в полной мере быть переведен на язык строгих закономерностей. Но последние в нем без сомнения присутствуют и выявить их – злободневная задача.
        Учитывая данные разных наук, можно предполагать, что фрактальность в своих проявлениях "неравномерна" и не беспредельна - в процессе фрактального роста структур должны присутствовать критические уровни. В свою очередь в циклических проявлениях должны быть обнаружены критические периоды, на циклических реализациях сказываются конкретные условия, поэтому характер, длина волн и т.д. будут весьма изменчивы. Реализация феноменов фрактальности и цикличности осуществляется через конкретные материальные носители во взаимодействии с конкретной средой. Поэтому случаев фиксации "идеальных" фракталов и циклов всегда будет немного (даже в процессах биологического морфогенеза, роста кристаллов и т.п. наблюдается большая вариабельность структур и волновых процессов). Во всех случаях сказываются факторы предыстории (системной памяти разного уровня), эффекты положения (соседства), возраста и т.п. В ряде случаев особое значение будет иметь характерное время реагирования объектов на изменения факторов среды. Так динамика численности мелких животных , имеющих высокий потенциал репродукции, будет характеризоваться "рваными" циклами, крупные же малоплодовитые животные демонстрируют определенную "глухоту" к слабым и короткоживущим изменениям факторов среды и характеризуются более плавными изменениями численности во времени.
        Применительно к биогеосфере фрактальные представления продуктивно транслировать в виде феномена ячеизации земной поверхности и населяющей ее жизни. Существенно то, что ячейки, сохраняя один тип "устройства", могут иметь неправильные формы, существенно различаться размерами, т.е., строго говоря, не представлять собой геометрическую иерархию. Однако они построены сходным образом и относительно автономны, поэтому применительно к наземной биогеосфере приложима лишь широкая трактовка фрактальной организации. Следует исходить из того, что такая изменчивость является правилом в материальном мире. Достаточно вспомнить, что организмы построены из неидентичных органов, ткани из неидентичных клеток, популяции из не вполне идентичных особей и т.д. Здесь особо важны типовое структурно-функциональное сходство, "правила сборки" иерархической системы.
        Следует иметь в виду, что фрактальность охватывает все природные объекты. Кроме фрактальности природной среды (прежде всего ландшафтно-топологической) имеет место и своего рода автофрактальность биологических объектов (например, популяционная структура видов – яркий пример см.: Коренберг, 1979). Каждое условно автономное подразделение вида имеет свою ритмику и циклические изменения численности, которые являются ответом на динамику средовых факторов. Уровень результирующей численности будет зависеть от того, в каком состоянии пришла популяция к моменту срабатывания благоприятной или неблагоприятной природной обстановки и степени выраженности ключевых факторов. Пространственная же выраженность циклов численности будет зависеть от того, с каким уровнем топологической иерархии (рангом средового фрактала) срезонировал соответствующий вид животных. В общем виде, чем больше ранг цикла, тем большее число видов сообщества животных среагируют на него адекватно. Это в числе прочего связано с тем, что циклы высокого иерархического уровня проявляются дольше в календарном плане, формируя более выраженную основу реакции на максимально выраженные изменения природных условий. Особенно это относится к видам с "длинной памятью" (крупные животные с низким репродуктивным потенциалом).
        На проявление цикличности численности животных оказывают сильное влияние популяционно-видовые особенности их репродуктивного потенциала, а также его специфика (ряд видов леммингов благодаря специфичной системе определения пола могут иметь соотношение полов у потомства от 1:1 до 1:3 в пользу самок, что существенно трансформирует величину коэффициента возможного прироста их численности и соответственно степень выраженности ответа на благоприятные условия среды). В ряде случаев имеет значение и эффект межвидовых взаимодействий в сообществах. Явления такого рода могут создавать эффекты некоторой автономии динамики численности видов от факторов среды, несовпадения направленности и величины изменений численности отдельных видов с преобладающей для сообщества тенденцией, охватывающей большинство видов животных близких систематических и размерных групп (получивших наименование в экологии гильдий или таксоценов). Особенно ярко это проявляется в периоды прохождения больших циклов, вызывая также явления несинхронности в пространственных проявлениях циклов численности видов и видовых сообществ (см. напр.: Малышев, 1984).
        Популяции животных являются пожалуй наиболее трудными объектами для прогноза, поскольку все параметры, от которых зависит потенциальный ответ на внешнее воздействие, чрезвычайно изменчивы и даже несут в себе элементы обратной связности, когда, например, уровень численности популяции в значительной мере корректирует репродукцию. При низких уровнях численности показатели репродукции увеличиваются, при высокой – снижаются, иногда вплоть до полной блокады размножения.
        В реальности природная среда, как и ее биотические компоненты, имеют квазифрактальнув организацию. Отчасти отсюда происходят и квазипериодические колебания численности биоты. Фрактальность плодотворнее понимать как некие ландшафтно-территориальные и биотические отдельности. В зависимости от конкретной обстановки такие отдельности будут иметь разные размеры и конфигурацию, а также другие черты внутрисистемной специфичности. И наоборот, в зависимости от ситуационной нагрузки и анализируемой территории, циклы разного свойства будут изменчивы по длине, знаку, выраженности и т.д. Как не выявляется "чистая" фрактальность, так и не следует ожидать проявления строгой цикличности. Приходится принимать как неизбежность "релятивизм" (Малышев, 1998а) как реальной фрактальности, так и цикличности, что не отменяет возможности их продуктивного иерархического анализа.
         Анализируя кажущуюся эвристически ценной связку фрактальности и цикличности на иерархической основе, можно принять за исходное положение, что малые циклы должны "плавать" по площади, направленности и выраженности, с макрорегиональных пространственных позиций это будет выглядеть как своеобразная "рябь". Иерархически же высокоранговые циклы, создавая эффекты гораздо более масштабной пространственной синхронизации циклических проявлений, будут выглядеть в том же масштабе уже как волны. В принципе все циклы должны "плавать" (т.е. не синхронизировать или несогласованно синхронизировать соседние территории), но большие циклы должны безусловно отличаться гораздо большей организованностью в пространственном плане.
        Вопрос о связи относительной размерности фракталов с их восприимчивостью к внешним воздействиям, настройке их на определенную совокупность и параметрическое выражение типовых сигналов, разумеется, не так прост и, скорее всего, имеет нелинейности в диапазоне возможных ответов. Однако в общем виде все же вырисовывается связь частотных характеристик сигналов (возмущений) с размерами фракталов, которые способны дать резонансный ответ. Длинноволновые воздействия резонируют с фракталами большого размера, коротковолновые – малого. Ультразвуки взаимодействуют с клеточными и молекулярными структурами организма, а инфразвуки уже с органами и центральной нервной системой в целом.
        Таким образом, есть все основания для постановки вопроса о сопряженном, взаимодополнительном (Малышев, 1998б) рассмотрении динамики природных явлений с позиций представлений о фрактальности и цикличности на иерархической основе. Только такой подход в сложившихся условиях позволит вскрыть базовые закономерности природной динамики. Здесь просматриваются и некоторые новые прикладные аспекты. Например, диагностическая ценность таких представлений. Так, хорошо выраженная регулярная фрактальность и периодическая ранговая цикличность природных явлений может свидетельствовать о нормальном состоянии природной среды. Выраженные же сбои (хаотические проявления) цикличности и нарушения фрактальности могут служить явными признаками нарушенности среды. Этот аспект оценки состояния экосистем и биосферы в целом должным образом до сих пор не был акцентирован. Диагностика ранга цикла по территориальным масштабам и специфике его проявления выступает своеобразным мостом между временными и пространственными реализациями природных систем, между цикличностью их проявлений во времени и фрактальности в пространстве. При этом исходно постулируется определенная связность и размерность (кратность) системных реализаций, их иерархическая организация.
        Взаимодополнительный фрактально-циклический иерархический анализ природных явлений безусловно заслуживает развития и углубления. Немаловажным вопросом при постановке специальных исследований является выбор адекватных задаче тест-объектов и тест-территорий. История науки свидетельствует, что именно нахождение удачных модельных объектов обеспечивало зачастую значительное продвижение в анализе актуальных проблем. В этой связи особое внимание следует обратить на исследование продукционных процессов в экологии (прирост растений, изменения численности животных и т.п.). Здесь сходятся многие положительные черты – хорошая изученность, большие массивы накопленных данных, отработанные методы исследований, относительная простота и легкость работы с объектами в природных условиях, наличие специалистов соответствующего профиля, развитая аналитическая и концептуальная основа и т.д. Тест-территория, пригодная для изучения обозначенных проблем, безусловно, должна быть "ячеизирована", т.е. включать сеть разноразмерных и разноудаленных друг от друга изолированных природными преградами своеобразных "островов". На равнинных территориях фрактальное членение слабо выражено, поэтому циклические изменения природных объектов могут передаваться на большие расстояния. Наиболее фрактально организованы горные территории и едва ли не наиболее удачным полигоном для исследования обсуждаемой проблемы является серия котловин Байкальской рифтовой зоны. Последняя имеет большую протяженность в субширотном и субмеридиональном направлениях, котловины имеют разные размеры и в большинстве случаев орографически относительно изолированы. Территория достаточно хорошо изучена как с геологической и физико-географической, так и с биологической точек зрения. Долговременное проведение здесь специальных наблюдений и анализ накопленных ранее данных мог бы способствовать значительному продвижению в анализе проблем природной цикличности, связности временных и пространственных аспектов динамики природных явлений и формированию на этой основе более развитого методологического и методического багажа прогнозных построений, приобретающих в XXI веке особую значимость.

Литература

  1. Акименко Т.А., Евстигнеев В.М. Районирование территория по синхронности колебаний речного стока// Вестник Моск. ун-та, Сер.5. География. 1999.- № 3. - С. 3 - 7.
  2. Глызин А.В. Динамика радиального прироста деревьев в высокогорьях Прибайкалья. - Автореф. дисс. канд. биол. наук. - Иркутск, 1994. - 17 с.
  3. Глызин А.В. Пространственно-временная согласованность дендрохронологических рядов в Прибайкалье//География и природные ресурсы. - 1998. - № 3. - С. 67 - 70.
  4. Дроздов О.А., Григорьева А.С. Многолетние циклические колебания атмосферных осадков на территории СССР. - Д.: Гидрометеоиздат, 1971. - 158 с.
  5. Коренберг Э.И. Биохорологическая структура вида (на примере таежного клеща). - М.: Наука, 1979. - 172 с.
  6. Мазепа В.С. Пространственно-временная изменчивость радиального прироста хвойных видов деревьев в субарктических районах Евразии. - Автореф. дисс. док. биол. наук. - Екатеринбург, 1998. - 38с.
  7. Малышев Ю.С. Динамика населения мелких млекопитающих Верхнеангарской котловины// Биогеографические исследования в районах зоны БАМ. - Иркутск, 1984. - С. 78 - 123.
  8. Малышев Ю.С. Специфика экологического подхода и некоторые проблемы оценки состояния экосистем и сохранения биоразнообразия//Методология оценки состояния экосистем. - Новосибирск: Наука, 1998а. - С. 4 - 34.
  9. Малышев Ю.С. Бимодальная логика как механизм реализации общенаучного принципа дополнительности//Дихотомия и гомология в естественных науках. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1998б. - С. 12 - 15
  10. Поздняков А.В., Лялин Ю.В., Тихоступ Д.М. Формирование поверхности равновесия и фрактальные соотношения в эрозионном расчленении//Самоорганизация геоморфосистем (Проблемы самоорганизации. Выпуск третий). - Томск: ТНЦ СО РАН, 1996. -С. 36 - 48.
  11. Пузаченко Ю.Г. Приложение теории фракталов к изучению структуры ландшафта// Известия РАН. Сер. геогр. - 1997. - № 2. - С. 24 - 40.
  12. Синюкович В.Н. Характер и природа синхронных колебаний стока рек юга Сибири// География и природные ресурсы. - 1999. - № 3.-С. 91 - 96.

Оглавление