5. Саморегуляция в геосистемах

Саморегуляция (саморегулирование) в геосистеме – способность геосистемы как целостного образования определённым образом реагировать на изменения состояния и воздействия внешней среды, а также внутренние процессы, обусловленные неустойчивостями внутри геосистемы.

В зависимости от способа регулирования (типа реакции на некий параметр состояния) выделяется два типа систем: система с отрицательной обратной связью – стабилизированная система; система с положительной обратной связью – система обвальная, лавинная, в которой малое начальное изменение параметра состояния самоусиливается.

Управление и регулирование в природе бывает двух типов: динамического и информационного. На рис. 5 приведён пример сложной саморегуляции в агроэкосистеме относительно поведения пестицида (модель Е.Б.Борисовой). Схема в упрощенном виде иллюстрирует биогеохимический механизм, который обусловливает характер и темп деструкции пестицидов в условиях орошаемого земледелия.

По характеру протекания, саморегуляция бывает динамической и информационной. Динамическая саморегуляция проявляется в поведении различных процессов, которые описываются в землеведении. Например, как мы помним, увеличение численности популяции уменьшает обеспеченность организмов одного вида пищей и местом, и всё большая часть организмов, не выдержав стрессового состояния, умирают.

Но тот же процесс может регулироваться иначе. Например, экологам известно, что организмы, оказавшиеся в скученном состоянии, способны издавать информационные сигналы, демонстрируя иное, чем обычно, поведение, и испуская биохимические «сигналы», которые учёные, изучающие этологию¹⁵,обобщённо называют таким слоганом «Нас много»! И тогда, под действием этого сиглала, организмы теряют плодовитость, животные даже впадают в амнезию. Это пример информационного саморегулирования. Таким образом, информационное саморегулирование – это способность системы менять своё функционирование в виде реакции обратной связи.

В динамическом регулировании для его осуществления нужно большое количество энергии, потому что влияние на систему осуществляется по принципу: величина воздействия – адекватный отклик (реакция). В информационном регулировании такого соотношения, как правило, нет. Как отмечалось выше, действие в такой системе (ее реакция на информационное влияние) не отвечает величине влияния извне, а наличие или отсутствие противодействия зависит от состояния системы. Например: покрасив черную кровлю дома в белый цвет, мы уменьшили бы её нагревание в 5 раз. Жителям верхнего этажа не пришлось бы летом кондиционировать воздух, что сберегло бы электроэнергию. Зато зимой пришлось бы тратить средства на дополнительное отопление. Таким образом, израсходовав небольшую энергию (на производство краски и её нанесение), мы могли бы манипулировать энергопотоком солнечных лучей, который на несколько порядков мощнее. Чтобы охладить ту же черную кровлю, нужно было бы энергии летним днем израсходовать приблизительно 0,5 квт/м².

Саморегуляция с отрицательной обратной связью

В геосистемах, которые регулируются таким образом, происходит своего рода слежение за отклонением состояния системы от равновесного (рис. 3). Стоит начаться процессу изменения, как здесь же в системе возникает определённый импульс, который подавляет причину изменения. Другими словами, увеличение выхода системы снижает вход по такой принципиальной схеме (рис. 6).Применительно к живой природе, это свойство живых организмов называют гомеостазом.

Рис. 6. Принципиальная схема системы с отрицательной обратной связью. Утолщенный контур – отрицательная обратная связь.

Объяснение: Численность популяции является базовой характеристикой популяции. По мере роста численности растет, при других равных условиях, её плодовитость. Приплод в сумме с базовой численностью образует новую численность. Если ареал популяции остаётся прежним, то плотность популяции (то есть отношение численности к площади) растёт. В таком случае, после достижения критической плотности , в популяции возникает информационный сигнал "Нас слишком много"! То есть в наличии – информационное регулирование. Реакцией на него является снижение плодовитости, а это, в свою очередь, уменьшает прирост численности (потому что часть популяции естественным образом вымирает).

Задание: Пользуясь этой схемой как своего рода матрицей, рассмотрите отношения, которые возникают на основе отрицательной обратной связи, которые можно увидеть в природе и социуме.

Рис. 8. Динамическое равновесие на основе отрицательной обратной связи

Объяснение: система саморегуляции (стабилизации) состояния системы "атмосфера – земная поверхность "на основе отрицательной обратной связи (все пунктиры).

Отрицательная обратная связь обеспечивает сохранение равновесий. Огромное количество таких связей создают гомеостазис в системе геосферы. Этот гомеостазис имеет региональное и глобальное экологическое значение.

Пример 1. В качестве регионального примера рассмотрим бессточное озеро, например Аральское море или Каспийское море в условиях саморегуляции (рис. 9).

Рис. . Сложная саморегуляция на основе отрицательной обратной связи

Объяснение. Это пример динамической саморегуляции. Уровень колеблется между отметками (1) и(2). Входом системы является приток воды с площади водосборного бассейна озера. Можно выделить даже два входа, так как озеро имеет поверхностный и подземный притоки, но это не изменит сущность системы.

Система имеет один выход – это испарение с водной поверхности.

Для того, чтобы определить, как управляется это система, проведем мысленный експеримент. Представим собе, что уменьшился прилив. Нарушится баланс, от которого зависит объём озера. Снижение объёма обусловит снижение уровня воды к отметке (1). Из-за этого площадь озера уменьшится. Это приведет к уменьшению испарения; воды в озере становится больше, уровень должен подняться и установится у точки (уровня) тяготения, т.е. на средней отметке (показана утолщенной линией между уровнями (1) и (2)). В случае, если приток воды больше испарения, то регуляция происходит с точностью до наоборот. Следовательно, изменение площади озера является регулирующим параметром расходной части водного баланса.

Происходит автоматическое регулирование системы в соответствии с отмеченным принципом. Поскольку приток в этой модели не изменяется, то испарение уменьшает площадь озера, которая с обратным знаком зависит от него.

Следовательно, в первом случае:

уменьшился приток воды с водосбора – снизился уровень – уменьшилась площадь зеркала – упало испарение – наладился баланс – и так до тех пор, пока установится новое равенство между приходом (притоком) и расходом (испарением).

Разберите иные случаи: а) увеличение притока; б) увеличение испарения; в) уменьшение испарения. Самостоятельно проанализируйте, что состоится в каждом случае с уровнем озера. Можно рассмотреть комбинации двух изменений одновременно.

Вопрос на смекалку: Дайте ответ, или может происходить такое саморегуля-ци я в водоеме или искусственном бассейне с отвесными берегами? Как проверить эту модель саморегуляции? Возьмём водоём с отвестными берегами (типа обычного бассейна). Пусть в нем импарение превзошло приток воды из водопровода. Уровень будет падать. И что? А ничего. Ведь площадь поверхности не меняется, следовательно, испарение не снижается. Таким образом, мы выявили условие саморегуляции: пологие берега водоёма – именно как у Аральского и Каспийского озёр, Лобнор или др. являются условием проявления саморегуляции.

Если всякое изменение состояния системы такого рода, которое определяется изменением соотношения входа-выхода, гасится противоположным влиянием управляющего элемента, которое, таким образом, стабилизирует систему, то говорят, что это система саморегуляции с отрицательной обратной связью. Системы с отрицательной обратной связью устойчивы. Они самопроизвольно сохраняются, как бы защищаясь от влияний внешней среды.

Пример 2. Такую же функцию саморегуляции выполняет в летнее время испарение воды. Чем сильнее нагревается вода, тем больше испарение. Оно снижает температуру воды. Благодаря этому, вода в саморегулируемой системе водоёма не перегревается. Температура воды (в поверхностном слое активного взаимодействия с воздухом) стабилизируется у некоторой величины – точки тяготения системы.

Замерзание водной поверхности - это защита системы от лишней потери тепла. Обычно большая часть тепла, которое накоплено в воде водоёма, тратится на испарение воды. Испарение с поверхности льда по сравнению с ним мизерно мало. А у дна температура устойчиво держится (на протяжении всего года) у температурной отметки плюс 4⁰С. Поэтому мало-мальски полноводное озеро не промерзает до дна.

Саморегуляция на основе положительной обратной связи.

Но в природе есть и противоположные способы саморегуляции по сравнению с предыдущим описанием.

Такая саморегуляция построена на таком, противоположном предыдущему, принципе: увеличение выхода системы усиливает её вход. Пример такого рода приведен на рис. 7.

Рис.7. Модель "белой земли" по М.И.Будыко.

Объяснение: объясняется принципиально важное явление самоусиления процесса снижения средней температуры Земли при увеличении площади ледников и снегов за счет положительной обратной связи. Этот процесс, в свою очередь, приводит к возрастанию площади "белой земли". Другими словами, стоит только начаться определенному процессу в системе положительной обратной связи, как дальше он будет все больше усиливаться, пока не разрушит систему или же истощит окружающую среду.

Пример 3. После извержений вулканов неоднократно отмечалось длительное (несколько лет) похолодание климата Земли. Оно имеет характер системы с положительной обратной связью. Извержение снижает прозрачность воздуха, потому что пыль и газы замутняют воздух не только тропосферы, но нижней стратосферы. Замутнённый воздух перехватывает часть потока солнечной радиации и благодаря этому нагревается. Почва и поверхность океана недополучают тепло и относительно охлаждаются. В атмосфере устанавливается равновесие вертикального столба воздуха, и вертикальная конвекция затухает. Это приводит у уменьшению теплопереноса по вертикали в приземном слое воздуха, и первоначальный эффект от извержения дополняется вторичным эффектом от устойчивой стратификации воздуха. Запыленность не будет снижаться, т.к. один из её быстродействующих факторов – образование осадков на пылинках – ядрах конденсации – не сработает. Это пример информационного регулирования в неживой природе. Ведь мощь самого невероятного вулканического извержения несравнимо мала по сравнению с потоком солнечной енергии на протяжении, например, года.

Пример 4. Стоит начаться таянию снега весной, как этот процесс станет самоусиливаться сам собой: поверхность снега потемнеет, и её альбедо уменьшится; образуются проталины – все это усиливает поглощение солнечной энергии, и так далее.

Пример 5. Как начинается опустынивание: как на живом теле распространяется лишай. Стоит начаться процессу, в частности, если уничтожить хотя бы частично растительность в степи или полупустыне – и дальнейшее опустынивание тут как тут. Оставшаяся растительность угнетается, разреживается. Ослабевшие растения не защищают почву от палящего солнца. Растения не в состоянии добывать воду из глубины песка (здоровые злаки и акации пронизывают корнями слой до 20 м). Из-за снижения транспирации уменьшается испарение влаги. Воздух становится суше, осадки не достигают поверхности, т.к. испаряющийся в сухом воздухе не достигая земной поверхности. Экологические условия становятся еще хуже – и пустыня не заставит себя ждать.

Исследования показывают, что в результате совокупности таких процессов, казалось бы, незначительных, водный баланс территории, которая испытывает опустынивание, снижается втрое, хотя, казалось бы, ничего же не произошло существенного?

По такой же схеме развивается пожар в лесу или в другом месте. Сначала воспламеняется только то, что легко горит. Но постепенно температура растет, и горит уже и все другое. Это процессы с положительным контуром саморегуляции, или с положительной обратной связью. Принципиальная схема такого процесса видна на рис. 10.

Это примеры, где процесс имеет сигнально-информационный характер. Он изменяет соотношение между компонентами окружающей среды. Поэтому стихийный (вначеле) процесс, зародившись, приобретает направленный характер в соответствии со свойствами системы.

Рис. . Простой пример системы с положительной обратной связью.

Пример 4. Известно, что племена Центральной Африки вызывают выпадение осадков в виде ливней при помощи обширного искусственного пожара. Поджигая большой массив сухой саванны, они добиваются возникновения мощного столба воздуха, который достигает уровня конденсации влаги и приводит к возникновению облачности и осадков. Ливень гасит пожар и орошает смежные земли.

Задание 1. Составить модель представлений о том, каким образом искусственно вызываются осадки посредством мощного пожара.

Ответить на вопросы:

1. Чем регулируется это процесс?

2. В каком случае он будет устойчивым, то есть осадки будут длиться долго? (Ответ на этот сложный вопрос требует учитывать влияние конденсации водяного пара над источником конвективного подъема воздушного столба).

Объяснение: Этот процесс регулируется состоянием воздушного столба в зоне пожара. Чем выше нагревание воздуха снизу, тем больше его неустойчивость; кроме того, при горении образуется водяной пар, усиливающий неустойчивость. В результате, возникает устойчивый импульс движения нагретого и влажного воздуха вверх .

Процесс не станет устойчивым до тех пор, пока столб воздуха не достинет уровня конденсации. Если вертикальный воздушный столб достигнет уровня конденсации, процесс приобретёт квазиустойчивый характер. Такое состояние будет сохраняться до тех пор, пока будет достаточно атмосферной влаги для поддержки "тяги" в этой вертикальной "трубе".