Код: Выделить всё
Долгинова В.А., Рыбальский Н.Н. Синергетический метод познания почвы // Использование и охрана природных ресурсов в России. — 2019. — № 4. — С. 22–26.СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ ПОЧВЫ
В.А. Долгинова, Н.Н. Рыбальский
факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
Аннотация. В статье описывается история и современный уровень формализации почвоведения и обосновывается актуальность задачи научного синтеза почвоведения и синергетики для создания моделей нового типа – синергетических. Структура почвы, ее геометрия и топология закладываются в основу разработки синергетической модели. Приводятся исходные положения для моделирования – гипотезы о почве, контрольные параметры, условия, среда, силы почвообразования.В.А. Долгинова, Н.Н. Рыбальский
факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
Ключевые слова: почва, почвоведение, синергетика, модель почвы, структура почвы, диссипативные структуры, математическое моделирование, почвенный тор, формализация, геометрия, топология, цифровая модель почвы, синергетическая модель почвы, нейросети, общая модель почвы.
Введение
Почва как объект исследования представляет собой сложную открытую неравновесную систему, которая находится в состоянии энергетического обмена со смежными средами (атмосфера, гидросфера и др.). Формализация подобного объекта представляет собой сложнейшую научную задачу, и на сегодняшний день исследования в области математического моделирования почвы и почвенных процессов вышли в фарватер науки во многом благодаря повсеместному применению все более мощного инструментария информационных технологий.
Сегодняшний уровень формализации наук о почвах позволяет находить логические обоснования почвенных гипотез, исходя из действия общих известных закономерностей и отдельных процессов в почвах. К примеру, почвоведы могут дать обоснованный ответ на вопрос "Почему в почве именно такая структура?", и звучать он может примерно так – "это энергетически выгодно". Создано большое количество 2D- и 3D-моделей разного уровня, но до сих пор не существует модели почвы, позволяющей дать формальный ответ на такие вопросы: "Какая структура / свойства будут у почвы через n-времени при заданных условиях?", "При каких изменениях условий произойдет "фазовый переход" в почве и сформируется устойчивая структура (
Актуальность, цель и задачи
Учению В.В. Докучаева о почве уже почти 140 лет, и все это время почва с одной стороны признавалась самостоятельным природным телом, но с другой стороны – изучение этого тела было во многом основано на рассмотрении динамики отдельных физико-химических процессов в почве и их логической взаимосвязи. После создания Докучаевской формулы почвы и ее развития в идеях Г. Йенни, Т.Г. Гильманова и других исследователей по всему миру, формализация почвоведения шла по пути дискретного моделирования отдельных частей почвенной системы.
Все предыдущее столетие прошло в почвоведении по сути как глобальный этап накопления почвенных данных. Благодаря техническому прогрессу и цифровизации науки почвоведение развивалось в парадигме углубления сегментов научного знания, и на сегодняшний день создано множество математических моделей самых разных элементов почвенных систем, подсистем и процессов. Внедрение компьютеров в повседневную научную работу привело к тому, что за прошедшие двадцать лет мы неплохо научились вносить почвенную информацию в базы данных, проводить ее базовую статистическую обработку и обсчитывать модели отдельных почвенных явлений.
Геометрическая модель почвы (представление о почве и/или ее частях на плоскости) до сих пор существует в виде вербально-логических представлений о почвенном профиле и горизонтах, а также в виде цифровых моделей почвенного покрова – почвенных карт с дополненными свойствами конкретных почвенных индивидуумов в отдельных точках пространства. Топологические модели (представление о почве и/или ее частях в виде объемных фигур) только начали появляться в виде 3D-моделей почвенных свойств и процессов. Но этого недостаточно для комплексного подхода к изучению почвы на всех уровнях ее функционирования.
Нужен принципиально новый метод познания почвы, чтобы системно математически описать геометрию, топологию и развитие почвенного тела в пространстве ("почва-пространство" [1]). Цель: скомбинировать подходы, применяемые для анализа данных на нано – молекулярном уровне, мезо – уровне почвенного горизонта, макро – уровне почвенного покрова. Чтобы подобный синтез был возможен необходим не столько ввод новой исходной информации в базы банных, сколько новые подходы к ее анализу. В данный момент единственной альтернативой является использование языков программирования для создания алгоритмов анализа данных на основе нейросетей.
В "дорожной карте" по разработке нового метода познания почвы выделены следующие задачи:
— создание цифровой модели структуры почвы;
— создание цифровой топологической модели структуры почвы;
— создание цифровой топологической модели почвы;
— создание синергетической модели почвы (Общая Модель Почвы).
Принципиальным отличием нового типа моделей от используемых сего
дня в почвоведении является система гипотез о почве, которые будут заложены в ее основу (см. Концепт синергетической модели почв).
Почвоведение и синергетика – научный синтез
Идеи применения синергетического метода в почвоведении предваряются развитием учения о почвах В.В. Докучаева, В.И. Вернадского и последователями по созданию формулы почвы (работы Г. Йенни, Т.Г. Гильманова, А. МакБратни и др.), изучение структур и паттернов почвенного покрова (В.М. Фридланд), а также исследованиями по эволюции почвенного покрова В.О. Таргульяна и И.А. Соколова [2] через понятие "информация, записанная в почвах" и две группы "записанных в профиле" почвенных показателей:
— "почва-момент" (динамические показатели почв, например, pH);
— "почва-память" (информация о биосфере, геосфере, ноосфере).
В это самое время синергетика как раз начала оформляться в самостоятельное научное направление: первый труд по синергетике Германа Хакена на русском языке был опубликован в 1980 году [3], хотя сами идеи математического описания диссипативных структур, к которым относится почва, зародились еще в 1969 г., когда Г. Хакен читал лекции в Штутгартском университете. Синергетика зародилась как наука, изучающая нелинейные процессы в средах разнообразной природы, находящихся в состоянии, далеком от равновесия, и постепенно превратилась в междисциплинарный математический ответ на вызовы многих отраслей научного знания (физических, химических, биологических, социальных), имеющих дело со сложными открытыми неравновесными системами.
Диссипативные структуры (термин введен в 70-х гг. XX в. нобелевским лауреатом по химии Ильей Пригожиным) – упорядоченные структуры, формирующиеся в открытых сложных системах. Эти структуры могут временно существовать в системе, благодаря особому взаимодействию потоков энергии. Возникновение таких структур становится возможным при пересечении точки бифуркации, после которой система стремительно перераспределяет свои хаотичные элементы в сторону наблюдаемой упорядоченности.
Точка бифуркации – это такой критический момент в жизни системы, после которого происходит вероятностный выбор состояния, которое эта система примет: либо сохранится предшествующий тип организации (хаос), либо система скачкобразно перейдет на новый уровень организации (сформируются новые диссипативные структуры).
Первые работы о применении методов синергетики в почвоведении и приложении математических идеи самоорганизации открытых сложных систем опубликованы в начале XXI в. (Т.А. Архангельская [4], И.А. Соколов, В.О. Таргульян [5], П.В. Красильников и др.). В почвоведение начинает внедряться синергетическая терминология математики – используются понятия "стабильность", "отклик системы", "фазовый переход", "точка бифуркации", "аттрактор" и так далее, но эти термины не имеют достаточно четкого и формального почвенного выражения, ими невозможно математически оперировать.
В работе 2007 г. [6] авторами впервые ставится гипотеза о возможности описания геометрии внутрипочвенной структуры посредством синергетической модели – от формы структурных элементов на микро-уровне, до структуры горизонта и профиля почвы. Ставятся и изучаются вопросы: "Как описать математически форму почвенного горизонта или его структуру – столбчатая или ореховатая?", "Какая формула границы почвенных горизонтов разных почв, как их описать через фракталы?", "Если структура почвы – ее столбики и шестигранники – появилась в результате самоорганизации почвенной системы, то как записать формулу ее эволюции во времени? Где точки бифуркации? Что является аттрактором в почве?" и т.д.
Например, в приложении к геометрии и топологии почв терминологический аппарат синергетики до сих пор не до конца формализован. Являются ли диссипативными почвенными структурами такие устойчивые элементы почвы как горизонты почвенного профиля, структура горизонтов, структурные отдельности почвы, ЭПЧ, водный и воздушный режим и так далее? Поскольку почва в отличие от многих других открытых сложных природных систем развивается в глобальном смысле весьма медленно, стоит обосновать временной период, который уместно считать "условно мгновенным переходом" из одного состояния в другое после прохождения системой точки бифуркации. Очевидно, что на каждом уровне организации почвенной системы эти ответы могут значительно различаться.
Синергетика позволяет описать зарождение геометрии структуры почвенных отдельностей и горизонтов в профиле, а топология почв дает возможность рассматривать почвенный покров Земли как единое геометрическое пространство. Синтез научного знания о почвах позволит вернуться к истокам почвенной мысли и сформулировать общую, выраженную строго математически, теорию почвы. Все это напоминает ситуацию в физике, где долгое время существовали разрозненные теории макро- и микромира, которые исследователи пытаются сложить в единую теорию поля ("теорию всего").
И хотя возможность и целесообразность использования в почвоведении математических методов синергетики для цели моделирования геометрии почвенной структуры показана более 10 лет назад, до сих пор так и не появилось целостной синергетической модели почвы. И это не удивительно, поскольку задача создания единой теории почвы по своей сути еще сложнее, чем задача физиков, ведь они моделируют физические объекты так называемой "неживой природы", которые сами по себе, конечно очень сложны, но не содержат в себе дополнительно живых организмов, которые играют решающую роль в почвообразовании и предстают в почвоведении не только как фактор, но и как полноценная часть моделируемого объекта.
Почему именно синергетика и топология на наш взгляд помогут решить задачу объединения всех почвенных моделей, и на какие основные вопросы можно будет ответить с их помощью?
Во-первых, синергетика уже являлась катализатором развития математизации почвоведения, и можно сказать, что благодаря синергетическим идеям и подходам в науке о почве на сегодня существует огромный пласт нелинейных математических моделей почвенных процессов самых разных уровней.
Во-вторых, математический аппарат синергетики открывает возможности создать геометрическо-топологическую модель почвы, которая на наш взгляд и является математическим ответом на вопрос "Что такое почвенное тело и как оно образуется?". Именно геометрический структурный подход является ключом к решению уравнения Докучаева, аналитико-функциональный внешний вид которого по нашему мнению увел многих исследователей в сторону решения частных практических задач и поиска прикладных решений для сельского хозяйства взамен углубленного фундаментального изучения геометрии и топологии почвы как уникального природного тела.
До сих пор нет ответа на вопросы: какая геометрическая форма у почвенного тела? Почему в почве есть именно такие по форме и размеру почвенные горизонты и другие структуры? И вообще, почему в почве есть те или иные горизонты и структуры?
Почва на сегодняшнем этапе развития науки – это "постклассический черный ящик": мы можем его открыть; можем увидеть все элементы и можем их даже потрогать; мы понимаем, какие процессы параллельно идут в почве; нам знакомы "жители", ее населяющие. Но мы не имеем математического инструмента, который учитывает открытость, сложность и самоорганизуемость почвенной системы для описания ее наблюдаемой геометрии и топологии.
Концепт синергетической модели почв
Со времен В.В. Докучаева почвоведы рассматривают почву как продукт взаимодействия факторов почвообразования – горная порода, климат, организмы, рельеф, время. Наша концепция для построения синергетической топологической модели почвы состоит в том, что стоит рассматривать факторы почвообразования в виде полей природных сил. Гравитация, электромагнитизм, живой организм – что прочертило именно эти границы внутри почвы и на ее поверхности? Структура почвенных горизонтов – границы между отдельностями и их повторяющиеся простые и сложные формы, похожие на соты пчелиного улья, выстроенные в стройную систему многогранники почвенных элементов и частиц, – все это требует строгой геометрической формализации.
Для наглядного объяснения идеи синергетической топологической модели почвы удобно использовать тор – геометрическую поверхность по форме напоминающую "бублик"; это топологическое пространство закладывается в основу модели для объемного изображения почвенного тела на всей поверхности Земли.
Прежде, чем перейти к созданию синергетической модели почвы, нужно обозначить некоторые наши гипотезы о почве, которые мы заложим в ее основу и которые помогут первоначально создать цифровую модель структуры почвы, а впоследствии и почвы в целом (2D и 3D):
— геометрическая форма почвы (почвенный тор) – существует в любой поверхностной точке пространства среды почвообразования при t>0, где t – время почвообразования;
— почвенная форма является открытой динамической системой, состоящей из подсистем, и может существовать в двух основных состояниях – начальное (этап зарождения) и развитое (наличие как минимум трех базовых слоев A-B-C с разным сочетанием формы полей синергетических сил почвообразования);
— материнская порода является средой образования почвы;
— время является условием образования почвы;
— почвенный тор имеет не гладкую поверхность, а "сетчатую", пропуская через себя поля природных сил, осуществляющих почвообразование;
— гравитация и электромагнетизм являются силами почвообразования, определяющими форму почвенного тела и структур внутри этой формы (в рамках синергетической парадигмы стоит обозначить эти силы как внешние контрольные параметры).
Для целей моделирования так же предлагаем условно называть почвой (почвенным телом) любую органо-минеральную систему, образованную на материнской породе, даже если в ней отсутствует специфическая почвенная органика (гумус).
Описанные исходные положения позволяют приблизиться к математическому описанию почвенного тела в терминах топологии и синергетики. Классические факторы почвообразования можно также выразить в терминах синергетических сил почвообразования, представляя рельеф, климат и остальные факторы как распределенное поле гравитации и электромагнетизма в разных пропорциях. На первом этапе моделирования предлагается использовать концепцию почвенного тора, учитывая свойства его поверхности пропускать синергетические силы почвообразования. Поля гравитации и электромагнетизма первоначально, возможно, целесообразно обозначить через "условную энергию", являющуюся контрольным параметром системы. Такой подход позволит сформулировать алгоритм образования почвы в форме динамической системы.
Выводы
Для решения задачи геометрическо-топологического описания почвы в терминах синергетики для начала нужно провести трансфер терминологии, чтобы выделить и определить систему, задать ее параметры. В приложении к почвоведению, нужно определить основные концептуальные понятия через почвенные объекты и процессы.
Далее необходимо выбрать систему математической формализации, наилучшим образом описывающую геометрическую форму системы; в умозрительном плане эту концепцию проще всего иллюстрирует плоский тор [7] (рис.).
- soil-torus.jpg (53.27 КБ) 5108 просмотров
Мысленный эксперимент, который отражает концепт синергетической теории почвы, выглядит следующим образом: в момент времени t ≤ 0 количество "условной энергии почвообразования" входящей и выходящей из материнской породы сохраняется одинаковым, с момента времени t > 0 образуется "черный ящик" почвенного тела, в который входит энергии больше, чем выходит, то есть энергия внутри почвенного тела начинает запасаться в виде почвенных структур, иначе говоря, с почвенным телом происходят такие функциональные изменения со временем (этап зарождения), которые ведут к самопроизвольному усложнению системы, что сближает почву с живыми организмами.
Внутри почвенного тела в процессе его развития происходят два типа энергетических процессов: поглощение энергии извне для формирования новых структур и вовлечение той части энергии, которая уже поглотилась почвой в энергетические потоки внутри почвенной структуры. Почвенные структуры разного уровня предположительно отличаются по "энергоемкости" и "скорости переработки энергии" – разделение на ту энергию, которая запасется, и ту, что выйдет из системы. Отдельного внимания заслуживает вопрос гистерезиса при обратном переходе, приводящий к деградации почвы.
Все эти задачи требуют внимательного всестороннего системного осмысления для создания непротиворечивой полноценной геометрическо-топологической модели почвы. Сам термин "синергетика" происходит от двух понятий – "совместное" и "действие" – не только в понимании теории почвоведения, но и в организации строгой формализации и математизации науки о почве.
Литература
1. Рыбальский Н.Н., Долгинова В.А. Обзор модельных представлений в почвоведении и концепт "почва-пространство" // Использование и охрана природных ресурсов в России. – 2019. – № 3. — С. 26-30.
2. Таргульян В.О., Соколов И.А. Структурный и функциональный подход к почве: почва–память и почва–момент // Математ. моделирование в экологии. – М: Наука, 1976. С. 17-34.
3. Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980. — 406 с.
4. Arkhangel’skaya T.A. Eurasian Soil Sc., 2006. – 39 (Suppl. 1): S20. DOI.org/10.1134/S1064229306130059
5. Targulian V.O., Krasilnikov P.V. Soil system and pedogenic processes: Self-organization, time scales, and environmental significance // Catena, 2007. Vol. 71, № 3. — P. 373-381.
6. Долгинова В.А., Васильев П.А. О возможности применения методов синергетики в почвоведении // Наука на рубеже тысячелетий / Сб. матер. 4-й Международной научно-практ. конф. – М., 2007. — С. 137-139.
7. V. Borrelli, S. Jabrane, F. Lazarus, B. Thibert Flat tori in three-dimensional space and convex integration / Proceedings of the National Academy of Sciences Apr, 2012. DOI: 10.1073/pnas.1118478109
Код: Выделить всё
Долгинова В.А., Рыбальский Н.Н. Синергетический метод познания почвы // Использование и охрана природных ресурсов в России. — 2019. — № 4. — С. 22–26.Synergetic method of soil cognition
V.A. Dolginova, N.N. Rybalskiy
Faculty of Soil Science Lomonosov Moscow State University
V.A. Dolginova, N.N. Rybalskiy
Faculty of Soil Science Lomonosov Moscow State University
The article describes the history and current level of soil science formalization and highlights the relevance of soil science and synergetics scientific synthesis goal to create new types of models – synergetic models. The structure of soil, its geometry and topology are forming the basis for the development of the synergetic model. The starting points for modeling are given – hypotheses about the soil, control parameters, conditions, environment and soil formation forces.
Keywords: soil, soil science, synergetics, soil model, soil structure, dissipative structures, mathematical modeling, soil torus, formalization, geometry, topology, digital soil model, synergetic soil model, neural networks, general soil model.