научная статья по теме ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ГИСТЕРЕЗИСЕ Математика

Текст научной статьи на тему «ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ГИСТЕРЕЗИСЕ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 422, № 6, с. 811-814

ГЕОГРАФИЯ

УДК 504.45.064.36:574

ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ГИСТЕРЕЗИСЕ

© 2008 г. Член-корреспондент РАН А. М. Никаноров, Б. Л. Сухоруков

Поступило 29.02.2008 г.

Известно, что гистерезис (от греч. запаздывание, отставание) наблюдается в тех случаях, когда состояние тела определяется внешними условиями не только в данный момент времени, но и в предшествующие [1]. Это явление хорошо изучено при различных видах воздействия на физические тела. Однако априори считалось, что оно не наблюдается в сложных многокомпонентных природных системах. Между тем наши исследования позволяют сделать вывод, что изменение природных экосистем при определенных условиях происходят по траекториям, аналогичным петле гистерезиса. Например, такие условные переходы при изменениях состояния экосистемы можно наблюдать в случаях однократного, существенного антропогенного (так же как и естественного природного) воздействия, приводящего к нарушению ее первоначального состояния.

Ввиду сложности строения и функционирования экосистем эти перемены не будут мгновенными. В большинстве случаев наблюдается запаздывание (отставание) изменения первоначального состояния экосистемы при изменившихся внешних условиях. Иными словами, проявляется инерционность экосистемы, связанная с перестройкой в ней химических, физических и биологических процессов. Названные процессы в природе взаимосвязаны. Эти связи очень сложны, в общем случае многозначны, и при значительном изменении внешних условий произойдет не только параллельная перестройка отдельных процессов в экосистеме, но также последовательные изменения внутри экосистемы, на что требуется определенное время.

Другим важным следствием наряду с запаздыванием реакции экосистемы на внешнее воздействие и нарушением экологического равновесия является возвращение (или не возвращение) экосистемы в первоначальное состояние. В классическом понимании гистерезиса как запаздывания изменения некой измеряемой физической величины, характеризующей состояние вещества, от изменения другой физической величины, опреде-

Южный отдел Института водных проблем Российской Академии наук, Ростов-на-Дону

ляющей внешнее воздействие, в большинстве случаев предполагает возврат к первоначальному состоянию при снятии последнего. Применительно к природным экосистемам эта закономерность проявляется только в случае однократного воздействия, при котором не произошло необратимого разрушения экосистемы. Если же нагрузка имеет характер пролонгированного действия, экосистема в исходное квазистационарное состояние (назовем это состояние условно "экологическим благополучием") не возвращается, а проходит ряд новых последовательных состояний, адаптированных к такому воздействию [2]. В специальной литературе в подобных случаях используется понятие "состояние, конвергентное с исходным", т.е. состояние, близкое к исходному, но не идентичное ему.

Имеется достаточно большое количество публикаций, в которых при наблюдении за состоянием экосистемы отмечались циклические изменения той или иной измеряемой величины. В наших работах по исследованию водных объектов показано [3-7], что при измерении спектров коэффициентов яркости пресноводных экосистем, после соответствующей обработки полученных данных, удается выделить три (иногда четыре) так называемые обобщенные координаты оптического образа и по их изменению во времени (по их траекториям) следить за направленностью внут-риводоемных процессов. Любое сечение пространства, построенного в этих координатах, представляет собой плоскость с нанесенными на ней изоплетами. Траектории изменения оптического образа экосистемы при естественном или антропогенном воздействии на нее и в естественных и в модельных водных экосистемах (мезокос-мах) в этом пространстве часто представляют собой замкнутые кривые [6].

Такие же замкнутые (или почти замкнутые) кривые получают в тех случаях, когда строят подобное пространство по ряду других показателей состояния экосистемы, которые могут рассматриваться как интегральные. Например, минерализация воды, ее рН, продукция, концентрация хлорофилла а фитопланктона, являющегося характеристикой всего планктонного сообщества, и ряд других. Как известно, замкнутые кривые по-

ОК3

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1

ОК1

Рис. 1. Область пространства оптических образов, соответствующая экологическим состояниям мезокосмов и р. Дон в координатах ОК1-ОК3 оптического образа. Траектории изменения оптического образа отмечены сплошной кривой. X - область состояния "экологического благополучия" (квазистационарное состояние). Х1-Х4 - области, через которые проходит траектория р. Дон за весенне-осенний сезон. Сф п и Смв -концентрации фитопланктона и минеральных взвешенных веществ [9]. На врезке-обозначения экспериментально полученных точек.

лучают, если в одной системе действуют два периодических процесса, графики которых сдвинуты друг относительно друга по фазе. Эти двумерные кривые в общем случае являются фигурами Лис-сажу и могут иметь весьма причудливую форму. Окружность или эллипсоид представляют собой частный случай этих фигур.

Подобные траектории в пространстве, построенном по двум переменным (химическим и (или) биологическим параметрам водных экосистем), мы наблюдали практически всегда, когда экосистема под действием тех или иных факторов выходила из состояния динамического равновесия и затем возвращалась в это же состояние. Такой возврат, по-видимому, происходит в любых экосистемах, при которых не нарушаются внутрисистемные связи и не разрушается экосистема в целом, оставаясь в пределах своей толерантности [8, 10, 11].

В подтверждение приведем результаты натурного экологического моделирования внутриводо-емных процессов, а также исследований, проведенных нами на природных объектах, существенно различающихся между собой.

В экспериментах с искусственными водными экосистемами (мезокосмами) мы изучали поведение водных экосистем при экологическом стрессе: экосистемы мезокосмов подвергались загрязнению соединениями меди и ртути. Мезокосмы были организованы в протоке р. Дон, вода кото-

рой и являлась материнской экосистемой. Регистрировали спектры яркости восходящего от воды излучения в видимой области. Для дальнейшего анализа получали спектры коэффициента яркости и представляли их в виде п-мерного вектора (коэффициент яркости на п волнах), который без потери информации удалось свернуть в трехмерный. В пространстве этих трех координат ОК1, ОК2, ОК3 каждый спектр представляется в виде точки, а изменение положения точки в этом пространстве образует траекторию изменения оптического образа во время восстановления экосистемы. Каждая из координат связана с концентрациями компонентов экосистемы, изменяющих комплексный показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, и, соответственно, отражает интегральные изменения, происходящие в экосистемах [9].

Траектории оптических образов образуют замкнутую кривую, начинающуюся и заканчивающуюся в области X. На рис. 1 траектории представлены в проекции ОК1-ОК3. Время цикла полного восстановления составило 16 сут. Сопоставление результатов измерений концентрации загрязняющего вещества и координат оптического образа показало, что максимумы нагрузки и отклика смещены на шесть суток, т.е. отмечалось запаздывание реакции объекта (экосистемы) от воздействия.

ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ГИСТЕРЕЗИСЕ

813

ОК, отн. ед. 2.0

0

5

10

15

20

25

30 г, сут

Рис. 2. Изменение координат оптического образа при восстановлении состояния экосистем мезокос-мов 1 и 3 [3].

На этом же рис. 1 в этих же координатах представлена траектория изменения оптического образа водной экосистемы р. Дон при изменении внешних условий; время полного цикла составило

около 150 сут. В обоих случаях наблюдается циклический процесс, связанный с периодическим изменением измеряемых показателей, в частности координат оптических образов. Изменение этих показателей в зависимости от нагрузки мезокос-мов представлено на рис. 2 . На рис. 3 представлена зависимость каждой из координат в эксперименте с мезокосмами от времени. Видно, что траектории обобщенных координат оптического образа начинаются и заканчиваются в конвергентной начальному состоянию области X на рис. 1. Траекторию изменения оптического образа для природной экосистемы р. Дон, аналогичную представленным на рис. 2, привести не представляется возможным, так как причина изменения координат оптического образа экосистемы достоверно не установлена. Воздействие на природную экосистему существенно многофакторное и предположительно основное влияние на внутриводоемные процессы в данном случае оказали сезонные изменения температуры воды и освещенности речной экосистемы.

M1 CCu, мкг/л 60 50 40 30 20 10 0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

ОК1

M3 CHg, мкг/л 10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

ОК3

0.8 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

ОК1 ОК3

Рис. 3. Изменение координат оптического образа ОК1 и ОК3 при изменении концентраций соединений меди для ме-зокосма 1 и ртути для мезокосма 3. Цифры у кривых- сутки от начала введения загрязняющих веществ. Траектории, соответствующие квазистационарному состоянию экосистем, начинаются и оканчиваются в области X, соответствующей области X на рис. 1.

Следующий пример касается восстановления экосистемы крупного водохранилища после экстремального загрязнения. В сентябре 1983 г. произошел прорыв плотины шламохранилища Стеб-никовского калийного завода, расположенного на 500 км выше г. Новоднестровска. В результате образовалась солевая волна высотой более 2 м, содержащая около 250 г/дм3 солей (хлориды, сульфаты калия, натрия, магния, жирные кислоты). К концу сентября основная масса солей (~1 млн. т) скопилась в придонном слое Новоднестровского водохранилища протяженностью 70 км. Вблизи плотины солевой слой по вертикали достигал 8 м.

Экосистема реки и водохранилища подверглись "солевому стрессу", в результате которого практически полностью было нарушено химико-биологическое состояние этих водных объектов. Экспедиция Гидрохимического института с первого дня этой экологической катас

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком