URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Долгоносов Б.М. Нелинейная динамика экологических и гидрологических процессов
Id: 78176
 
483 руб.

Нелинейная динамика экологических и гидрологических процессов

URSS. 2009. 440 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-00321-6.

 Аннотация

Монография посвящена математическому моделированию в различных областях экологии и гидрологии. Спектр рассматриваемых проблем достаточно широк: информационная и демографическая динамика цивилизации при биосферных ограничениях, стохастическая динамика расходов воды и примесей в речных бассейнах, нелинейная кинетика биодеструкции органического вещества в водной среде, кинетика фазообразования с участием процессов коагуляции, фрагментации и седиментации. Объединяющим началом является синергетическая методология исследований, в которой на передний план выходят целостность системы, нелинейность ее динамики, режимы с обострением, действие мультипликативных шумов, формирование нанодисперсных систем с фрактальной структурой частиц, масштабная инвариантность, степенные эволюционные законы, степенные распределения вероятностей, полимодальность распределений, наличие критических точек перестройки структуры. Большое внимание уделяется методологическому обоснованию предпринятого подхода. Все модели в книге строятся на прочной основе анализа физических, химических и биологических механизмов изучаемых процессов.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, интересующихся применением математических методов в глобальной экологии, гидрологии и смежных науках, а также на преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей, владеющих математикой в объеме технического вуза.


 Анонс

Цивилизация -- это открытая система, наделенная памятью и способная производить информацию. Ее эволюция сопровождается внутренней самоорганизацией, а уровень развития определяется количеством накопленных знаний. Размер биосферы задает предел экстенсивного роста цивилизации, который уже многократно превзойден. Усилия по восстановлению окружающей среды неэффективны. Практически все, что делается, подчинено краткосрочным экономическим и политическим целям, что ускоряет разрушение биосферы и конечный крах цивилизации. Успеет ли человечество самоорганизоваться в достаточной мере, чтобы предотвратить катастрофу? Эта проблема глобальной экологии обсуждается в монографии на основе информационной динамики цивилизации. Наряду с этим рассматриваются другие актуальные проблемы экологии, гидрологии и смежных наук.


 Оглавление

От редакции
Экология, синергетика, междисциплинарный синтез (Г. Г. Малинецкий)
Предисловие редактора (М. Г. Хубларян)
Предисловие
  Литература
Глава 1 Цивилизация и биосфера: нелинейная информационная динамика при глобальных ограничениях
 1.1.Введение
 1.2.Количество накопленной информации
 1.3.Производство информации
 1.4.Информационная парадигма
 1.5.Информационная динамика
  1.5.1.Принципы
  1.5.2.Простейшие режимы производства информации
  1.5.3.Комбинированные режимы
  1.5.4.Общие свойства и некоторые оценки
 1.6.Динамика численности человечества
  1.6.1.Модели
  1.6.2.Режимы роста
  1.6.3.Основные уравнения
  1.6.4.Мгновенная емкость среды
  1.6.5.Эффективность цивилизации
  1.6.6.Альтернативная формулировка демографической динамики
  1.6.7.Калибровка модели и сценарии роста
 1.7.Заключение. Информационный императив
  Приложение 1 Гиперболический рост как следствие потери устойчивости
  Приложение 2 Развитие колебательной неустойчивости в режиме с обострением
  Приложение 3 Две конкурирующие цивилизации
  Литература
Глава 2 Нелинейная стохастическая динамика формирования расходов воды в речных бассейнах
 2.1.Введение
 2.2.Методологические вопросы
 2.3.Постановка задачи
 2.4.Динамика стока в масштабе водосбора
 2.5.Равновесие действующих сил
 2.6.Влияние флуктуаций осадков и неоднородности водосбора
 2.7.Распределение вероятностей стока
 2.8.Свойства распределения вероятностей
 2.9.Построение и анализ эмпирических распределений вероятностей
 2.1 .Заключение
  Приложение
  Литература
Глава 3 Спектральные характеристики внутригодовой изменчивости суточных расходов речной воды
 3.1.Введение
 3.2.Применение спектрального анализа для изучения водного и химического стока
 3.3.Скейлинг между стоком и влагозапасом
 3.4.Динамика стока
 3.5.Спектр мощности стока
 3.6.Эмпирические спектры
 3.7.Оценка параметров теоретических спектров
 3.8.Сравнение теоретических и эмпирических спектров
 3.9.Переходная частота
 3.1 .Спектр мощности флуктуаций стока
 3.11.Заключение
  Литература
Глава 4 Динамика формирования качества вод в речных бассейнах
 4.1.Введение
 4.2.Вероятности экстремальных гидрохимических событий
  4.2.1.Сток примеси
  4.2.2.Сток воды
  4.2.3.Обработка эмпирических данных
  4.2.4.Вероятности неблагоприятных событий
  4.2.5.Показатель степенного хвоста распределения
 4.3.Флуктуации микробиологических показателей качества речной воды
  4.3.1.Временные ряды микробиологических показателей
  4.3.2.Стохастическая динамика микробной популяции
  4.3.3.Приложение теории к обработке временных рядов
  4.3.4.Прогноз вероятности превышения допустимых уровней
 4.4.Заключение
  Литература
Глава 5 Нелинейная кинетика трансформации примесей в водной среде
 5.1.Введение
 5.2.Обобщение полифракционной модели распада
 5.3.Нелинейная кинетика распада
 5.4.Биодеградация органического вещества в донных отложениях
 5.5.Распад планктонного детрита в донных отложениях
 5.6.Деструкция органического вещества в биореакторе с активным илом
 5.7.Распад лигнина
 5.8.Распад хлорлигнина
 5.9.Биопоглощение макрофитами
 5.1 .Химическая деструкция и фотодеструкция
 5.11.Седиментация взвешенных веществ
 5.12.Условия нелинейности распада
 5.13.Заключение
  Литература
Глава 6 Кинетика ферментативной деструкции органических макромолекул с фрактальной структурой
 6.1.Введение
 6.2.Особенности ферментативной деструкции природных биополимеров. Структурный хаос и фрактальность
 6.3.Кинетика ферментативной деструкции
 6.4.Деструкция однородной фракции
 6.5.Деструкция смеси
 6.6.Спектр реактивностей как проявление структурного хаоса
 6.7.Применение теоретических представлений к описанию экспериментальных данных
 6.8.Заключение
  Литература
Глава 7 Динамика аэробной биодеградации органического вещества в донных отложениях водоемов
 7.1.Введение
 7.2.Химические модели распада органического вещества
 7.3.Биологические модели распада органического вещества
 7.4.Модель биодеградации в донных отложениях: исходные положения
 7.5.Формулировка модели
 7.6.Скорость поглощения кислорода донными отложениями
 7.7.Экспериментальные данные по биодеградации в донных отложениях
  Система FM (Fillos and Molof, 1972)
  Система B (Belanger, 1981)
  Система D (Дзюбан, 1987)
 7.8.Сопоставление калиброванных моделей
 7.9.Время распада органического вещества
 7.1 .Выбор калибровки модели
 7.11.Заключение
  Приложение 1 Приведение уравнений к безразмерному виду
  Приложение 2 Решение системы уравнений модели
  Приложение 3 Калибровка модели
  Литература
Глава 8 Модель перестройки диатомового комплекса с ростом токсической нагрузки на водную экосистему
 8.1.Введение
 8.2.Описание объекта исследований
 8.3.Концентрации металлов в воде
 8.4.Токсичность металлов
 8.5.Влияние токсичности на диатомовый состав. Структурные перестройки
 8.6.Формулировка модели
 8.7.Зависимость несущей емкости среды от токсичности
 8.8.Моделирование диатомового палеокомплекса
 8.9.Общий анализ модели: зависимость численности сообщества от токсичности
 8.1 .Типовые сценарии изменения структуры сообщества
 8.11.Заключение
  Литература
Глава 9 Коагуляционные механизмы формирования дисперсной фазы в водной среде
 9.1.Введение
 9.2.Кинетика коагуляции-фрагментации
 9.3.Равновесный спектр частиц
  9.3.1.Равновесные распределения частиц во фракциях
  9.3.2.Степенные ядра коагуляции и фрагментации
  9.3.3.Параметры равновесного спектра частиц
 9.4.Изменение спектра частиц при релаксации к равновесному состоянию
 9.5.Выводы
  Литература
Глава 1 Кинетика коагуляционного формирования взвеси в поле силы тяжести
 1 .1.Введение
 1 .2.Кинетика процесса
 1 .3.Модель суперпозиции квазиравновесных мод
  1 .3.1. Вывод уравнений модели
  1 .3.2. Масштабирование
  1 .3.3. Параметры задачи
  1 .3.4. Поток седиментации
  1 .3.5. Метод численного решения задачи
 1 .4.Результаты расчетов и обсуждение
  Литература
Глава 11 Численное моделирование формирования дисперсной фазы с коагуляцией-фрагментацией частиц
 11.1.Введение
 11.2.Формулировка модели
 11.3.Вычислительный эксперимент
  11.3.1. Масштабирование
  11.3.2. Параметры задачи
  11.3.3. Методика вычислений
 11.4.Обсуждение результатов
 11.5.Заключение
  Литература
Глава 12 Динамика ранних стадий формирования дисперсной фазы в водной среде
 12.1.Введение
 12.2.Модель микросмешения
 12.3.Модель гидролиза
 12.4.Коагуляция в переходной зоне между растворами
  12.4.1. Профили компонентов
  12.4.2. Размеры агрегатов
 12.5.Обсуждение результатов
 12.6.Заключение
  Приложение Перенос растворенного компонента в окрестности растягиваемой границы
  Литература
Глава 13 Кинетика седиментации коагулирующей взвеси
 13.1.Введение
 13.2.Постановка задачи
 13.3.Метод решения
 13.4.Спектр размеров коагулирующих агрегатов
 13.5.Концентрация взвеси
 13.6.Обработка экспериментальных данных
 13.7.Обсуждение
 13.8.Заключение
  Литература
Послесловие

 Экология, синергетика, междисциплинарный синтез (Г.Г.Малинецкий)

Все в одном и одно во всем.
Средневековая мудрость

Книга Б.М.Долгоносова, которую вы держите в руках, является желанной и долгожданной в нашей серии "Синергетика: от прошлого к будущему". В этой серии, которая выпускается издательством URSS с 2002 г., к настоящему времени выпущено более 40 книг на русском и испанском языках.

Однако книг по экологии в ней еще не было. Сама экология является междисциплинарным подходом. Поэтому можно было надеяться, что в ее развитии и разработки важную роль суждено сыграть другим междисциплинарным подходам, в частности, теории самоорганизации или синергетике. Книга "Нелинейная динамика экологических и гидрологических процессов" показывает, что эти ожидания оправдались в полной мере.

Думается, что эта книга будет иметь большое значение и для синергетики, и для экологии. В соответствии с этим и круг ее читателей, видимо, будет очень широким. Это старшекурсники и аспиранты физических, химических, биологических, механико-математических, географических и геологических факультетов университетов. Это экологи, гидрологи, специалисты по математическому моделированию и руководители, которых интересует, на какие результаты можно опираться, принимая решения, касающиеся экологических проблем. Очевидно, преподавателей привлечет ясность, краткость и точность глав, раскрывающих основные сюжеты книги. Такой материал очень приятно излагать на лекциях.

Вернемся в конец семидесятых годов, когда экология начала завоевывать позиции и у специалистов, и в общественном сознании. Один из создателей современной экологии Ю.П.Одум определил ее предмет в следующих словах: "Слово "экология" образовано от греческого "ойкос", что означает дом, и "логос" -- наука. Таким образом, изучение нашего "природного дома" охватывает изучение всех живущих в нем организмов и всех функциональных процессов, делающих этот "дом" пригодным для жизни. В буквальном смысле экология -- это наука об организмах "у себя дома", наука, в которой особое внимание уделяется "совокупности" или характеру связей между организмом и окружающей их средой, если воспользоваться одним из определений из полного словаря Уэбстера". Поле исследований экологии огромно! Но Ю.П.Одум, рассматривая развитие этой дисциплины, делает его еще шире: "За последние десятилетия экология становится все более цельной дисциплиной, которая связывает естественные и гуманитарные науки. Сохраняя свои крепкие корни в биологических науках, она уже не может быть отнесена целиком только к ним. Экология -- точная наука в том смысле, что она использует концепции, методы и приборы математики, химии, физики и других естественных наук. Но в то же время она -- гуманитарная наука, так как на структуру и функцию экосистем очень сильно влияет поведение человека. Как интегрированная и естественная наука экология с огромным успехом может быть применима к практической деятельности человека, поскольку для ситуаций, складывающихся в реальном мире, почти всегда характерны два аспекта: естественнонаучный и социальный (экономический и политический). Эти два аспекта нельзя рассматривать в отрыве друг от друга, если мы хотим найти долговременное решение критических проблем".

Стремительная экспансия экологии привела к возникновению "экологии микроорганизмов", "космической экологии", "экологии грибов", "экологии человека", "экологии культуры" и почти сотне других "экологий". Возник "эффект Вавилонской башни" -- утрата общего языка, основополагающих понятий, поверхностность аргументации, привлечение широкого круга людей, далеких от предмета. Достаточно напомнить, что и на саммите в Рио-де-Жанейро в 1992 г., и в Иоханнесбурге в 2002 г. политикам, экспертам, исследователям не удалось договориться об общем понимании основополагающей концепции -- концепции устойчивого развития (sustainable development).

Во множестве работ по экологии ставится важная и очевидная проблема, иногда приводятся количественные данные, а потом делаются разумные выводы, явно не противоречащие здравому смыслу. Преподаватели экологии в школах и вузах, на мой взгляд, усугубило ситуацию. Трудно преподавать, если нет ясного понимания, что же люди должны на самом деле знать и уметь. Во многих чертах развитие экологии сегодня напоминает судьбу кибернетики. Прекрасные исходные идеи. Взлет, энтузиазм, очень широкое распространение, поверхностность ряда представителей движения, реакция, спад.

И здесь "помощь" синергетики могла бы быть очень полезна. В самом деле, синергетика представляет собой подход, развивающийся на пересечении трех сфер -- предметного знания, математического моделирования и философской рефлексии. В этой триаде каждая категория выступает в качестве "арбитра" во взаимодействии двух других, помогая найти целостность, единство, гармонию при решении конкретных научных, технологических, управленческих задач.

Синергетика говорит на ясном и простом языке математических моделей, помогающим естественникам, гуманитариям, математикам, инженерам, управленцам вкладывать в используемые понятия один и тот же смысл. При этом сама синергетика предлагает набор базовых моделей, алгоритмов, концепций -- своеобразных кубиков, позволяющих складывать концептуальные или математические модели различных процессов. Во многих случаях речь идет об асимптотическом описании, при котором простота не менее важна, чем точность, а цельность не менее существенна, чем конкретные детали.

Примерно такие слова более чем на сотне конференций говорил исследователям-предметникам замечательный ученый, специалист по прикладной математике и междисциплинарным исследованиям, член-корр. РАН Сергей Павлович Курдюмов. Он был одним из основоположников синергетики в России, директором Института прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН (ИПМ) в самые тяжелые годы его существования. Поэтому к его словам относились со вниманием и уважением. Но... ничего не менялось. Казалось, что каждый, как и прежде, занимается своим делом, не обращая внимания на предложения коллег. Много ярких, вдохновенных выступлений было у С.П.Курдюмова и перед экологами.

Характерное время восприятия новых идей и подходов в нашей стране, как показывает развитие синергетики, около десяти лет. Поэтому каждый раз, когда "предметники" сами приходят к идеям междисциплинарного синтеза, то для синергетиков это огромная радость. Нечто подобное сейчас происходит в синергетическом сообществе в связи с бурным развитием новой области исследований -- математической истории. В конечном итоге именно энтузиазм историков и предопределил успех этой исследовательской программы.

В нашем институте много лет работает научный семинар "Будущее прикладной математики". И одним из наиболее ярких и запоминающихся стало выступление профессора В.И.Найденова из Института водных проблем РАН. Простые, наглядные, характерные для синергетики нелинейные математические модели, описывающие динамику уровня воды в различных водоемах. Распределения "с тяжелыми хвостами", позволяющие оценить вероятность катастрофических наводнений и многое другое. Выступление произвело очень большое впечатление и мы договорились о подготовке книги по этой проблематике. Но судьба распорядилась иначе, написать книгу В.И.Найденов не успел...

Однако идеи, связанные с использованием представлений синергетики в экологических системах, изучаемых гидрологией, развивались, приобретали известность, влияние и приверженцев. Итогом этого этапа исследовательской работы и стала книга, которую вы держите в руках.

Мой учитель -- С.П.Курдюмов -- иногда говорил, что в науке бывают "гаечники" и "ключники". "Гаечники" хорошо представляют объект и суть проблемы, которую следует решить. "Ключники", напротив, владеют "инструментами", методами, подходами, которые хотят использовать и могут смотреть на конкретные задачи "с птичьего полета". Во множестве случаев синергетики исполняют роль ключников. Идеальным является союз тех и других. Еще лучше, когда обе ипостаси соединяются в одном лице. Именно такой замечательный пример и представлен в книге Б.М.Долгоносова. С одной стороны, широкий, обобщающий взгляд, акцент на понимании механизмов изучаемых процессов, на их месте в общей проблеме. С другой, прекрасное знание конкретики, внимание к деталям и ясная формулировка ограничений различных существующих и предлагаемых подходов.

О некоторых особенностях книги стоит сказать подробнее.

Одна их них связана с целостным видением проблем экологии, научной смелостью и оригинальностью подхода. В самом деле, не будет преувеличением сказать, что основным содержанием переживаемой эпохи является глобальный демографический переход -- резкое, происходящее на времени жизни одного поколения, изменение закона роста численности населения Земли. В соответствии с представлениями Т.Мальтуса численность людей растет в условиях достатка ресурсов в геометрической прогрессии в соответствии с законом Equation. DSMT4. Однако исследования палеодемографов, профессора С.П.Капицы, других ученых показали, что в течение более 200 тыс. лет закон был иным [формула]. Решение этого уравнения определяет гиперболический рост. [формула], где [формула];г. Это рост в режиме с обострением, когда одна или несколько величин, характеризующих систему, неограниченно возрастают за конечное время. Естественно, когда величина N становится очень велика, в действие вступают другие механизмы, ограничивающие рост. Именно это -- центральное событие в истории человечества -- и происходит в настоящее время. Само рождение экологии обусловлено пределами развития, в рамках существующих технологий, которые стали видны в последнее десятилетие.

Естественно, возникают три принципиальных вопроса. Первый -- причина нелинейности предшествующего роста человечества. Второй -- механизмы, изменившие этот закон (сейчас отличие нынешней численности от предписываемой предыдущим законом уже составило более 2 млрд человек). Третий -- глобальный демографический прогноз на XXI в.

В соответствии с представлениями синергетики, при исследовании сложной системы выявляются ключевые величины -- параметры порядка, которые с течением времени начинают определять изменение остальных характеристик системы.

В соответствии с теорией С.П.Капицы, единственным параметром порядка в этой системе является сама численность населения (демографический императив). нелинейность при таком подходе определяется информационным взаимодействием -- способностью людей передавать в пространстве и во времени ту информацию, которая помогает им выжить. Сотрудник ИПМ А.В.Подлазов предложил теорию, к которой параметров порядка два -- само население и уровень технологий (технологический императив). В этой теории численность населения определяется уровнем жизнесберегающих технологий, которые уменьшают смертность или увеличивают продолжительность жизни. Демографический переход при таком подходе объясняется насыщением жизнеобеспечивающих технологий. Наконец, А.В.Коротаев, А.С.Малков и Д.А.Халтурина выдвинули теорию, в которой есть три параметра порядка -- численность населения, уровень технологий и уровень культуры (культурный императив). В соответствии с этим взглядом именно культурное развитие, в частности увеличение женской грамотности в целом по миру, и меняет радикально репродуктивную стратегию человечества.

В книге Б.М.Долгоносова выдвигается "информационный императив, в соответствии с которым, глобальные демографические процессы подстраиваются под изменение объема накопленных человеческих знаний... Таким образом, знания выступают в качестве единственной движущей силы развития цивилизации". Итак, параметр порядка один, общая логика созвучна идеям, высказывавшимся при формулировке технологического императива, формализм и аргументация принципиально отличается от того, что использовали предшественники. Выдвинутый подход радикален. Он реализует утверждение Фрэнсиса Бэкона: "Знание -- сила само по себе" (The knowledge is power by itself). Не хотелось бы обсуждать в предисловии этот радикальный взгляд, определяющий совершенно новое, планетарное отношение к развитию образования и науки. Тем более, что набор сценариев рассмотренных в книге весьма широк -- будущее не предопределено прошлым, и сценарии кризиса и "счастливый конец XXI столетия" будут зависеть от алгоритмов развития, которые сознательно или несознательно выбирает человечество. Однако сам новый взгляд на глобальную демографию очень важен, глубок и интересен.

Обращу внимание на стиль книги. Работа внешне построена как сборник коротких новелл со своими проблемами, сюжетами, обзором работ предшественников, списком литературы. В данном случае это очень удачная форма, облегчающая восприятие материала. В конце каждой главы невольно вспоминается формулировка Евклида "...что и требовалось доказать" или рефрен из сказок 1001Нй ночи: "И это все о нем".

Принципиальной является вторая глава, посвященная вероятностному прогнозированию речного стока. Традиционный подход к этой проблеме связан с построением больших имитационных моделей, требующих обширной входной информации. Синергетический подход, развитый Б.М.Долгоносовым, иной. В соответствии с ним строится целостная модель, в которой раздельно учитываются регулярные крупномасштабные и случайные мелкомасштабные процессы.

Ранее в работах В.И.Найденова выводилась простейшая феноменологическая модель, связывающая изменение влагозапаса всей водосборной территории и уравнение для стока. Такой подход позволил обосновать важнейший факт, следующий из наблюдений -- плотность распределения вероятности речного стока имеет "тяжелые хвосты" (степенные, медленно спадающие зависимости). Именно они и определяют вероятность аномально больших стоков, катастрофических наводнений.

В книге Б.М.Долгоносова сделан следующий важный шаг -- дан физически аккуратный вывод этой системы, исследованы стохастические дифференциальные уравнения, отражающие флуктуации осадков и характеристик водосбора. И главное -- удалось найти аналитически распределение плотности вероятности, а также выразить показатель степени, характеризующий "тяжелый хвост" через физические характеристики, отражающие режим стока с водосбора. Простая целостная синергетическая модель, с одной стороны, дает понимание физических процессов в исследуемой нелинейной системе, а с другой, отражает то, что не удается увидеть, проследить и оценить в более сложных и громоздких имитационных моделях.

Второй директор ИПМ, один из создателей прикладной математики ХХ в., академик А.Н.Тихонов в качестве методологического принципа предлагал идти от задачи и исходить из того, какие данные доступны и каким должен быть характер ожидаемого ответа. По сути, это переформулировка "лезвия Оккама" в приложении к прикладной математике. Построенная Б.М.Долгоносовым модель полностью соответствует этому глубокому принципу.

В целом, внимание к методологии, методическая рефлексия, характерные для синергетики, пронизывает всю книгу. Это и анализ общих подходов к моделированию, включающий подходы и идеи известных философов, методологов, классиков науки. Это и замечательные эпиграфы, проясняющие в нескольких фразах основную идею, развиваемую в данной главе.

Книга читается необычно легко для серьезной научной монографии -- от нее трудно оторваться. И точно так же велик соблазн обратить внимание на многие блестящие находки автора, ярко и наглядно описанные в разных главах. Надеюсь, что читатели сумеют увидеть, оценить и использовать их в своей работе, в преподавании или в размышлениях. Однако два важных момента стоит подчеркнуть.

Экология -- широкая область. Поэтому возможности "ученых одной проблемы" в ней весьма ограничены -- им трудно оценить целое, увидеть лес за деревьями. И в соответствии с духом этой области построена и книга. Круг обсуждаемых в ней задач широк и разнообразен. Это и спектральные характеристики внутригодовой изменчивости, и вопросы формирования качества вод с приложением к анализу соответствующих временных рядов. Это кинетика трансформации примесей и деструкции органических макромолекул. Это исследование динамики донных отложений и, анализ влияния токсичной нагрузки, математическое описание процессов коагуляции, играющей важную роль в задачах гидродинамики.

Однако несмотря на разнообразие этих проблем, в предложенном подходе к их анализу есть внутреннее единство, связанное с целостным синергетическим анализом объекта, с выделением параметров порядка и построением нелинейных динамических систем, связывающих их, с алгоритмами анализа временных рядов и анализом "тяжелых хвостов" (как выясняется, типичных для этой области), определяющих вероятности катастрофических событий, с разделением масштабов и использованием асимптотического языка, на котором сегодня обычно говорит синергетика. Это единство показывает конструктивность и важность общих подходов нелинейной науки в решении конкретных научных задач экологии.

В отличие от многих других книг в этой работе большую роль играет послесловие. Оно как бы собирает воедино фрагменты целого, проанализированные в различных главах, и возвращает читателя к глобальным проблемам, с которых и начиналась книга.

Вывод автора радикален: "К сожалению, во все времена производством знаний занималась удручающе малая часть общества... Обусловленная этим недостаточная интенсивность пополнения и распространения знаний -- вот главная угроза существованию цивилизации, что особенно остро ощущается во время бурного роста численности человечества... Другая угроза связана с низкой управляемостью цивилизации. Даже при наличии достоверного знания о том, что надо делать, нет достаточных рычагов для проведения обоснованных решений в жизнь. Оценки показывают, что в настоящее время планета уже значительно перенаселена: численность человечества на порядок превысила уровень, приемлемый для биосферы. Однако изНза низкой управляемости надежда на мягкое регулируемое снижение численности до достижения гомеостазиса с биосферой не то, чтобы совсем несбыточна, но слишком мала...

Процесс в значительной мере идет по более жесткому объективному сценарию, практически независимо от воли людей, а значит, будет какое-то время сопровождаться ростом перенаселенности и разрушением биосферы -- процессами, провоцирующими катаклизмы типа войн, пандемий, масштабных экономических и социальных катастроф и прочих негативных последствий глобализации.

Таким образом, представление о цивилизации, как о системе, производящей знания, заставляет пересмотреть ряд бытовавших ранее ценностных установок и использовать механизмы самоорганизации для обеспечения устойчивого развития".

Этот вывод представляется глубоким, важным, оптимистичным. Он на новом уровне призывает вернуться к идеалам Просвещения с его культом знания, он опирается на экономическое понимание нашей реальности. Он дает надежду -- многое, связанное с самоорганизацией, со знанием, с управления в наших с вами руках, в руках человечества.

Однако, на этом бы не хотелось ставить точку. Наука -- это, прежде всего, диалог с Природой, с Обществом, с собой, с другими исследователями. Нильс Бор как-то заметил, что есть глубокие, принципиальные суждения, отрицания которых являются столь же глубокими, плодотворными и стимулирующими суждениями.

И тут очень важно оставить место для сомнения и диалога. ХХ век убедил, что информация, знание да и понимание могут избавить от войн и потрясений.

Вполне возможно, что выход из нынешнего кризиса потребует глубоких изменений в самом человеке, в его смыслах, ценностях, мировосприятии.

Синергетика и идеи самоорганизации вышли на арену в конце 80Нх гг. XX в. ХХ в. не случайно. Они вышли потому, что возможности организации в управлении и осмыслении процессов, с которыми столкнулось человечество, во многом оказались исчерпаны. Видимо, мы имеем дело со схожей ситуацией. Возможно тот уровень самоорганизации, который нужен и отдельному человеку и человечеству для преодоления нынешнего кризиса, выходит за рамки рационального знания, обработки информации. Возможно, здесь понадобится другое отношение к себе, друг к другу, к будущему, глубокие изменения эмоциональной и интуитивной сферы,

Кроме того, стало общим местом утверждение о том, что человечество не вписывается в биосферу в его нынешней технологической рамке. Поэтому надо думать о другой рамке, о другом наборе жизнеобеспечивающих технологий. О технологиях, которые в контексте исчерпания невозобновимых природных ресурсов позволят обеспечивать развитие не в течение десятилетий, как нынешние, а хотя бы в течение веков.

Но, пожалуй, самый интересный вопрос -- это определение вектора развития. Человечество не может жить, чтобы выжить, остановиться и забыть о развитии. На крутых поворотах ему удавалось найти новые ресурсы и возможности. Наглядный пример здесь наука -- сложнейшие задачи для одной эпохи становились очевидными для другой. Исследователям вновь и вновь удавалось найти "новую простоту".

Один из примеров дает сама эта книга. Ясные, красивые модели экологических и гидрологических процессов, предложенные автором, опирающимся на представления синергетики, дают и глубокие научные результаты, и практические приложения, и новый взгляд. Глубокие обобщения, предлагаемые в книге, создают основу для диалога о судьбах цивилизации, о путях развития науки, о подходах к решению экологических проблем. Думаю, что диалог, к которому приглашает автор, непременно будет продолжен на семинарах, на конференциях, в студенческих аудиториях и, конечно, на страницах книг нашей серии "Синергетика: от прошлого к будущему".

Председатель редколлегии серии "Синергетика -- от прошлого к будущему", профессор Г.Г.Малинецкий

 Предисловие редактора (М.Г.Хубларян)

Предлагаемая вниманию читателей монография посвящена математическому моделированию в различных областях экологии и гидрологии. Спектр рассматриваемых проблем достаточно широк: от взаимоотношений цивилизации и биосферы до процессов формирования речного стока и качества вод. Все эти проблемы объединены единым методологическим подходом, основанным на синергетических принципах, таких, как целостность системы, нелинейность процессов, комбинация детерминизма и стохастики, степенные законы, масштабная инвариантность, структурный хаос, критические явления перестройки структуры. Большое внимание уделяется методологическому обоснованию предпринятого подхода. Все модели в книге строятся на прочной основе анализа физических, химических и биологических механизмов изучаемых процессов.

Следует отметить оригинальный информационный подход к проблеме развития цивилизации и ее взаимоотношения с биосферой. В становлении этого направления принимал участие безвременно ушедший крупный российский ученый В.И.Найденов. В соответствии с информационной парадигмой цивилизация трактуется как система, производящая знания. Формулируются законы производства знаний, связывающие численность населения с количеством накопленной информации и скоростью ее производства, из которых следует, что процесс протекает в режиме с обострением. Динамику цивилизации удается описать исключительно в информационных терминах, оперируя только количеством знаний и скоростью их производства. Непротиворечивая теоретическая конструкция строится на основе классического принципа наименьшего действия Лагранжа, из которого выводятся уравнения информационной динамики. Применение информационной динамики к описанию глобального демографического процесса показывает, что этот процесс регулируется двумя экологическими факторами: демографической емкостью биосферы и эффективностью восстановления окружающей среды. Важным следствием информационной динамики является вывод о том, что знания -- это единственная движущая сила развития цивилизации.

Особое внимание в монографии уделяется актуальной гидрологической проблеме, связанной со статистическим описанием расходов воды в речных бассейнах и концентраций примесей в воде. Описание базируется на построении функций распределения и корреляционных функций расходов и концентраций в определенном створе реки. Анализируется спектр корреляционной функции, который используется для выделения вклада годовой цикличности и вклада флуктуаций. Обнаружено влияние случайных гидрологических процессов с широким диапазоном времен релаксации, которые приводят к возникновению фликкер-шума, ответственного за низкочастотную расходимость спектра. Виден также эффект подавления высокочастотных колебаний за счет емкости водосбора. Это направление методологически близко к исследованиям М.Г.Хубларяна и В.И.Найденова по нелинейной динамике вод суши.

Большой интерес представляют главы эколого-гидрологической направленности, посвященные нелинейной динамике формирования качества вод, моделированию процессов биодеградации органического вещества в донных отложениях, процессов самоочищения водной среды от высокомолекулярных органических соединений. Подход, связанный со стохастической динамикой и функциями распределения, применяется к проблеме выноса примесей с водосборной территории в реку. Особое внимание уделяется микробиологическому загрязнению воды. Важным результатом является то, что удается оценить вероятности экстремального ухудшения качества воды. Например, показано, что распределения некоторых показателей качества описываются степенными законами, что говорит о высокой вероятности возникновения неблагоприятных гидрохимических событий. В то же время, для микробиологических показателей оказалось, что их распределение описывается логнормальным законом, хорошо подтверждаемым данными наблюдений.

Принятая автором методология применяется к анализу динамики распада примесей в водной среде. В этом случае, следуя химической терминологии, говорят не о динамике, а о кинетике процесса. Изучая кинетику деструкции органического вещества в водной среде, автор вскрывает нелинейные механизмы этого процесса, обусловленные фрактальностью структуры органических макромолекул. Анализ механизмов показывает, что распад ансамбля органических макромолекул с хаотической структурной организацией протекает по степенному закону, а не экспоненциально, как считалось ранее. Этот вывод исключительно важен для правильной оценки скорости процесса и опасности накопления примесей в водных экосистемах.

Впервые в мировой литературе предпринята попытка моделирования отклика экосистемы на токсическое воздействие с привлечением палеолимнологических данных. Количественный подход к этой важной экотоксикологической проблеме позволил обнаружить и теоретически описать критические точки перестройки видовой структуры диатомового комплекса.

Заметная часть монографии посвящена изучению нелинейных коагуляционных механизмов формирования взвеси и ее седиментации. Эти процессы повсеместно распространены в морских и пресноводных экосистемах, где в качестве исходного материала для формирования взвеси может выступать детрит, а также минеральные и органоминеральные частицы эрозионного происхождения, выносимые с поверхности водосбора или выпадающие из атмосферы. Автор предложил двухфракционную модель формирования дисперсной фазы и нашел в одном важном частном случае точное решение интегро-дифференциальных уравнений коагуляции-фрагментации. Полученные здесь результаты важны для правильной оценки скорости седиментогенеза, а также потока углерода и других элементов из водной толщи в донные отложения.

В целом монография представляет большой интерес для специалистов по математическому моделированию, экологии, гидрологии, гидрофизики, гидрохимии и в смежных областях науки. Она демонстрирует новые возможности нелинейной динамики в указанных областях знания.

Изложенные в монографии материалы исследований основаны на публикациях автора в ведущих российских и зарубежных журналах. За цикл статей под общим названием "Развитие теории формирования качества вод" автор вместе с его коллегами награжден в 2006 г. премией издательства МАИК "Наука / Интерпериодика" на конкурсе лучших публикаций.

Академик М.Г.Хубларян

 Об авторе

Борис Михайлович ДОЛГОНОСОВ

Доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования водно-экологических процессов Института водных проблем РАН. Область научных интересов -- экология, гидрология, гидрохимия, кинетика и механизмы процессов в водной среде. В настоящее время занимается нелинейными задачами в глобальной экологии, стохастической динамикой речных расходов, теорией формирования химического, микробиологического и дисперсного состава вод. Автор около 150 работ, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах. Наиболее значимыми результатами являются популяционная динамика цивилизации в условиях глобальных экологических ограничений, стохастические модели формирования качества вод, кинетика коагуляционного формирования дисперсных фаз в водной среде, нелинейная стохастическая модель речных расходов.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце