В эколого - географических исследованиях

Общая теория систем: использование физических идей и законов

Вне всяких сомнений, физика как наука оказала большое влияние на развитие всех направлений исследований. При этом совершенно естественно, что происходил перенос определенных идей из одной области исследований в другую. Плодотворное использование физических идей и законов в географии шло в двух направлениях: в методологическом (теоретическом) и практическом. Если в географии практические исследования использовали конкретные физические законы и формулы, то методологические исследования охватывали более широкий круг дисциплин: физику, математику, кибернетику и другие. Поэтому нашедшие применение в других науках идеи сбора и обработки статистической информации могли и были использованы в географических и экологических исследованиях. Отметим, что в географии имеется громадный статистический материал. Получаемые экспериментальные данные в физической и экономической географии представляют ряды наблюдений, отнесенные к различным дискретным моментам времени. Интервал этих временных рядов очень различен - от секунд до десятилетий. Существующая эргодическая теорема говорит о том, что в определенных случаях возможно перенесение методов анализа временных рядов на так называемые пространственные ряды. При этом возникает ряд интересных задач. Так, например, встает вопрос о выделении регулярных и нерегулярных циклов временных и пространственных рядов, сглаживания и фильтрации отдельных частот, корреляции временных и пространственных рядов. Решение этих задач географы осуществляют с помощью гармонического анализа, широко используемого в физике. Прогнозная тематика в экологии и географии использовала математический аппарат для построения математических моделей, на основе которых анализировались сценарии возможной эволюции эколого - географических систем. При этом развитие экосистем может быть рассмотрено количественно с двух позиций: пассивной и активной. Первая позиция констатирует, в какой ситуации окажется экосистема в интересуемый исследователей момент времени. При этом количественно будут описаны состояния компонентов экосистемы. Никакого направленного воздействия на экосистему не рассматривается. Вторая позиция связана с управлением экосистемы, т.е., с выбором определенных количественных параметров и значений компонентов экосистем. Управлением экосистемой является такое регулирование процессов ее динамики, чтобы в искомый момент времени параметры системы и численные значения компонентов экосистемы приняли требуемые величины. Для осуществления такого управления могут быть использованы идеи физики, кибернетики с применением системного анализа.

При рассмотрении динамики экосистем с учетом всегда действующих на них внешних воздействий, которые изменяют естественную траекторию движения системы, подчас очень остро стоит проблема устойчивости экосистем. Данная проблема более широко будет рассмотрена в дальнейшем (в третьей части курса), здесь лишь следует упомянуть, что многие идеи оценки устойчивости положения равновесия, понятия равновесного процесса и их количественные исследования пришли из физики и механики и плодотворно используются в эколого - географических исследованиях.

Специального внимания заслуживает проблема взаимоотношений детерминистского и вероятностного (стохастического) подходов в изучении процессов как в физике, так и в экологии и географии. Развитие в физике проходило от простых детерминистских законов (примером могут служить законы Ньютона, включая гравитацию) к вероятностным подходам, нашедшим наиболее яркое выражение в квантовой теории поля. Аналогично физике в экологии и географии отмечается переход от детерминистского подхода к стохастическому. Экосистемы представляют собой большие, подчас неоднородные пространственные объединения, процессы в которых проходят в эвклидовом (трехмерном) пространстве и изменяются во времени. Так что, если проводить параллели, то, казалось бы, процессы в экосистемах ближе к процессам, описываемым классической физикой. И это действительно так. Однако, определенные идеи квантовой механики также очень полезны при исследовании экосистем. Дело в том, что неопределенность, принципиально существующая в микромире, существует и в макромире. Экосистема представляет совокупность большого числа взаимосвязанных подсистем, подверженных случайному воздействию со стороны других, связанных с ней систем. Здесь роль неопределенности и случайности воздействий очень велика. Как бы детально исследователи не пытались изучать поведение природных систем, невозможно учесть всю совокупность факторов, воздействующих прямо или косвенно на динамику их развития. Поэтому необходимо считаться с наличием случайных факторов, являющихся результатом воздействия целого ряда процессов, явлений, связей. При этом сколь малыми ни были бы возмущающие воздействия, они будут влиять на эволюцию экосистемы. И поэтому, как и в квантовой механике, предсказание поведения экосистем возможно лишь в среднем. С этих позиций стохастические подходы будут наиболее адекватно описывать динамику экосистемы. Они могут учесть случайные возмущения и оценить в виде возможных сценариев поведение таких сложных объектов, каковыми являются экосистемы.

Приведем несколько примеров плодотворного заимствования физических идей в географических исследованиях. Из физики известно, что два физических тела взаимно притягиваются. В XVII веке И. Ньютоном был сформулирован закон всемирного тяготения, согласно которому любые два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

(2.1)

Здесь F - сила тяготения, , - массы тел, r - расстояние между ними, g - гравитационная постоянная, - константа, численное значение которой зависит от систем физических единиц. Как и всякий закон, закон Ньютона имеет ограничения. Он справедлив лишь, если размеры тел и малы по сравнению с расстоянием между ними. Закон тяготения весьма универсален. Ему подчиняются такие явления, как падение тел на Землю, движение Луны вокруг Земли, движение планет вокруг Солнца.

Если рассмотреть взаимодействие между электрическими зарядами, то в зависимости от зарядов (одноименные будут отталкиваться, а разноименные - притягиваться), сила взаимодействия между ними будет подчиняться закону Кулона:

(2.2)

Здесь F - сила взаимодействия, , - численное значение зарядов, r - расстояние между ними. Коэффициент k также зависит от системы физических единиц. Аналогичны законы для взаимодействия магнитных сил.

Пространство, в котором действуют гравитационные силы, называется гравитационным полем или полем тяготения. Для заряженных тел говорят об электромагнитном поле.

В физике любое взаимодействие тел или заряженных частиц происходит по схеме: тело (частица) - поле – другое тело (другая частица). Первое тело (частица) создает вокруг себя соответствующее поле, которое действует на второе тело (частицу).

Совпадение внешних видов (математическое описания) двух разных по физической сущности законов наводит на мысль о некоторой универсальности математической записи законов. Но это только внешнее подобие. За выводом этих формул стоит большое количество экспериментов, которые позволили сформулировать законы в соответствующей лаконичной и изящной математической форме. Простота и изящество формулы не могли не привлечь к себе внимание со стороны исследователей других областей науки. В географии идеи гравитации были использованы в моделях взаимодействия, оценивающих влияние расстояния на перемещение людей.

Общая постановка задачи выглядит следующим образом. Имеется два центра (скажем, населенных пункта). Тогда взаимодействие между ними (миграция, грузовые перевозки, обмен информацией и т.д.) определяется следующим образом (Хаггет, 1968; 1979):

(2.3)

Здесь - взаимодействие между i и j центрами. и - соответствующие меры, характеризующие взаимодействие двух центров, - расстояния между центрами.

Более детальное изучение конкретных статистических данных позволило исследователям внести в формулу некоторые уточнения, связанные с географическим положением изучаемых объектов. Выяснилось, что формула несколько различна для Европы и Америки. Так, для Европы, являющейся экономически менее развитой, свойственны более резкие градиенты перемещений, которые описываются указанной выше формулой.

Для Америки формула модифицировалась:

(2.4)

Показатель степени в знаменателе изменил свое значение с двух на единицу.

Для анализа того же явления было использовано другое физическое явление - абсорбция. Как свет поглощается окружающей средой, так и мигрирующее население поглощается территориями, через которые оно движется (Хаггет, 1968):

(2.5)

Здесь - миграция населения из исследуемого центра в координату х, а - коэффициент поглощения, k - некоторая постоянная.

Законы оптики были использованы при рассмотрении географической задачи, связанной с прокладкой трассы между двумя населенными пунктами. Задача является тривиальной, если территория однородна. Соединение двух населенных пунктов прямой линией будет естественным решением задачи. Однако, если территория неоднородна, то решение задачи, безусловно, усложняется. В качестве физической аналогии рассматривалась задача прохождения света через неоднородную среду. Известно, что свет распространяется наикратчайшим путем. При переходе из одной среды в другую наблюдается преломление света таким образом, что

(2.6)

Здесь i, r - углы между направлением света в оптических средах и перпендикуляром к разделу между средами, a - соответствующие оптические плотности сред.

Леш (1959) использовал физические законы преломления света в неоднородной среде для анализа транспортных трасс. Суть задачи заключается в выборе трассы, по которой следует перевозить продукт из одной точки в другую. При этом часть пути сопровождает сухопутный транспорт, а часть - морской. Транспортная оплата соответственно различна в разных средах. Обозначая через - морской фрахт, а через - наземный фрахт, Леш нашел выгодное положение порта, решая уравнение:

(2.7)

Здесь соответствующие углы, указанные на рис.(2.1).

Рис. 2.1 Анализ транспортных трасс.

Можно привести и другие примеры переноса физических идей в географические исследования. И, все-таки, наиболее сильные результаты взаимодействия физики и географии заключаются в переносе методологических приемов, используемых в физике, для изучения динамических сложных объектов, каковыми являются экосистемы.

Дата добавления: 2015-06-26