Вестник МГОУ. Серия: Географическая среда и живые системы / 2021 №3

Название статьи ТЕОРИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ХАОСА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЭКОЛОГО-МЕДИЦИНСКОЙ СИСТЕМЫ
Авторы Базарский О.В., Кочетова Ж.Ю.
Серия Географическая среда и живые системы
Страницы 96 - 109
Аннотация Цель. Разработать универсальную модель на основе теории детерминированного хаоса для описания развития эколого-медицинской системы (ЭМС).1 Процедура и методы. Описание ЭМС с применением теории детерминированного хаоса предполагает уже существующую математическую модель Фейгенбаума «оснастить» измеряемыми экологическими и медицинскими величинами, которые имеют статистический смысл. В эколого-медицинской системе действуют как случайные факторы, связанные с неопределённостью уровня загрязнения окружающей среды, так и детерминированные, связанные с упорядоченной деятельностью человека. Необходимо выявить случайную составляющую - закон распределения уровня загрязнения окружающей среды по концентрациям загрязняющих веществ - и соотнести её с детерминированной составляющей (предельно допустимой концентрацией), обеспечивающей безопасный уровень определённости. Модифицированная для эколого-медицинской системы модель Фейгенбаума позволяет оценить текущую неустойчивость ЭМС при известном уровне эколого-медицинской энтропии, а также сделать прогноз её развития в течение 100 лет при изменении техногенной нагрузки. Результаты. Для описания ЭМС введены новые понятия эколого-медицинской энтропии и эколого-медицинского риска. В зависимости от уровня деградации окружающей среды выделены 3 фундаментальных периода развития ЭМС: динамический режим с детерминированными связями энтропии и устойчивости эколого-медицинской системы; переходный режим с 2 последующими кризисами (бифуркациями); хаотический режим с быстро повторяющимися кризисами, но с существованием окна возможностей зарождения новой популяции. Сделано ранжирование состояний эколого-медицинской системы по рангам деградации окружающей среды и неустойчивости ЭМС (от абсолютно устойчивого состояния R=0 до абсолютно хаотичного R=1). Приведены примеры изменения устойчивости ЭМС при различных уровнях техногенной нагрузки на окружающую среду. Показано, что при уровне эколого-медицинской энтропии S≤1,1 и уровне её неустойчивости R≤0,1 система находится в ранге нормы и с течением времени самовосстанавливается; при 1,1<S≤2,7 система находится в режиме динамического увеличения её неустойчивости от R=0,28 до R=0,63. Здесь заканчивается «горизонт прогноза» и наступают переходный и хаотический режимы. Теоретическая и/или практическая значимость. Построенная нелинейная циклическая модель ЭМС позволяет прогнозировать её сложное поведение в течение длительного времени. Так как эколого-медицинская система проявляет как детерминированные, так и случайные свойства, то проанализирован переход ЭМС от детерминированного к хаотическому. Практическая значимость заключается в установлении порогов неустойчивости ЭМС. Результаты исследования могут быть применены к любой стране и региону, для которых известны или рассчитаны входные параметры модели.
Ключевые слова экологические системы, экологический риск, энтропия, модель Фейгенбаума, критерий устойчивости Ляпунова
Индекс УДК 504.064.2.001.18
DOI 10.18384/2712-7621-2021-3-96-109
Список цитируемой литературы 1. Базарский О. В., Кочетова Ж. Ю. Энтропия абиотических геосфер и модель для оценки и прогноза их состояния // Биосфера. 2021. Т. 13. № 1-2. С. 9-14.
2. Белоусов Б. П. Периодически действующая реакция и ее механизм. Автоволновые процессы в системах с диффузией. Горький: Институт прикладной физики АН СССР, 1981. 287 с.
3. Дмитриев А. Хаос, фракталы и информация // Наука и жизнь. 2001. № 5. С. 41-55.
4. Компьютеры и нелинейные явления: Информатика и современное естествознание / под ред. А. А. Самарского. М.: Наука, 1988. 192 с.
5. Кочетова Ж. Ю., Базарский О. В., Маслова Н. В. Сравнительный анализ интегральных показателей загрязнения почвогрунтов урбанизированных территорий приоритетными контаминантами // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2018. № 1 (125). С. 28-37.
6. Купцов П. В. Вычисление показателей Ляпунова для распределенных систем: преимущества и недостатки различных численных методов // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2010. Т. 18. Вып. 5. С. 93-111.
7. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. М.: Мир, 1979. 512 с.
8. Пригожин И. Время, структура и флуктуации // Успехи физических наук. 1980. Т. 131. № 2. С. 185-207.
9. Розенберг Г. С. Информационный индекс и разнообразие: Больцман, Котельников, Шеннон, Уивер // Самарская Лука: Проблемы региональной и глобальной экологии. 2010. Т. 19. № 2. С.4-25.
10. Трубецков Д. И. Турбулентность и детерминированный хаос // Соровский образовательный журнал. Физика. 1998. № 1. С. 77-83.
11. Aoki I. Entropy principle for the evolution of living systems and the universe from bacteria to the universe // Journal of the Physical Society of Japa. 2018. Vol. 8. № 1. P. 1-8.
12. Kay J. J, Schneider E. D. Embracing complexity - The challenge of the ecosystem approach // Perspectives on Ecological Integrity. 1995. Vol. 5. P. 49-59.
13. Lorenz Е. N. Deterministic nonperiodic flow // Journal of the Atmospheric Sciences. 1963. Vol. 20. P. 130-141.
14. Martyushev L. M. Minimal time, Weibull distribution and maximum entropy production principle: Comment on «Redundancy principle and the role of extreme statistics in molecular and cellular biology» // Physics of Life Reviews. 2019. Vol. 28. P. 83-84.
15. Principles of Ecology Revisited: Integrating Information and Ecological Theories for a More Unified Science / M. I. O’Connor, M. W. Pennell, F. Altermatt, B. Matthews, C. J. Meliбn, A. Gonzalez // Frontiers in Ecology and Evolution. 2019. Vol. 7. P. 219.
16. Schneider E. D., Kay J. J. Complexity and thermodynamics. Towards a new ecology // Futures. 1994. Vol. 26. P. 626-647.
17. Schrodinger E. What is life? Dublin, 1943. 32 р.
18. Skene K. R. Life’s a gas: A thermodynamic theory of biological evolution // Entropy. 2015. Vol. 17. P. 5522-5548.
19. Skene K. R. Thermodynamics, ecology and evolutionary biology: A bridge over troubled water or common ground? // Acta Oecologica. 2017. Vol. 85. P. 116-125.
Полный текст статьи pdf
Кол-во скачиваний 3

Лицензия Creative Commons

Лицензия Creative Commons

CyberLeninka

DOAJ
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

© 2007 - 2021 Московский государственный областной университет
Официальный сайт журналов «Вестник МГОУ»

При цитировании ссылка на «Вестник МГОУ» обязательна. Материалы журналов распространяются в соответствии с лицензией CC BY.