автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Междисциплинарный подход к изучению сложных систем опасных природных процессов

На правах рукописи

Иванов Олег Петрович 003494 108

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ОПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.26.02 «Безопасность в Чрезвычайных ситуациях» (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

2 5 щр 2070

Москва 2010

003494108

Работа выполнена в Музее Землеведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант:

Доктор биологических наук

Мелехова Ольга Петровна

Официальные оппоненты

Доктор биологических наук, профессор

Доктор географических наук, профессор

Доктор биологических наук, профессор

Кавтарадзе Дмитрий Николаевич

Клиге

Рудольф Карлович Козлов

Юрий Павлович

Ведущая организация:

Институт глобального климата и экологии Росгидромета РАН

Защита состоится 28 апреля 2010г. в 14С0 часов на заседании Диссертационного Совета Д 501.001.55 при МГУ им. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП - 1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус 12, биофак, ауд.389.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, по адресу: 119991, ГСП - 1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус 12 биофак.

Автореферат диссертации разослан /^ йЪ 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Кандидат биологических наук

Н.В. Карташева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Состояние вопроса и актуальность темы исследования. Работа посвящена решению фундаментальной проблемы - разработке нового универсального междисциплинарного подхода (метода и методологии) анализа эволюции сложных систем типа Опасных Природных Процессов (ОПП), для совершенствования моделирования и повышения эффективности систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты от них.

Актуальность проблемы определяется ростом потерь общества и природы от Опасных Природных Процессов. Основными причинами роста риска бытия являются демографическая проблема, высокие темпы урбанизации, расслоение стран по уровню развития, специфика техногенной инфраструктуры социума, глобальное потепление, несовершенство прогнозов и отсутствие подходов к управлению ОПП. Потери природы связаны с гибелью экосистем при воздействиях ОПП.

На основе анализа мировой статистики жертв и ущерба от ОПП (данные Бельгийского исследовательского центра за период 1965 - 1999 гг., результаты международной конференции в Иокогаме в 1994 г. и результаты исследований страховых агенств мира) показано, что для наводнений, землетрясений, ураганов и торнадо тенденции роста ущерба и жертв социума стали приближаться к степенным закономерностям [Мазур И.И., Иванов О.П., 2004]. Современное глобальное потепление увеличивает число метеорологических ОПП и ущерб от них. Возросло число циклонов 4-й и 5-й категории (Головко В.А., 2006), увеличились масштабы наводнений и засух. Девять из 10 стихийных бедствий связаны с гидрометеорологическими опасными явлениями, в результате которых с 1980 по 2000 гг. в мире погибло 1,2 млн. человек, а ущерб от последствий таких явлений насчитывает более чем 900 млрд. долл. США (Бедрицкий А.И., 2008).

Несовершенство прогнозов связано с превалированием узконаучных классических подходов, не позволяющих перейти к комплексному анализу таких сложных явлений как ОПП, несущих в себе нелинейную динамику и сложные сочетания газодинамических, термодинамических и электромагнитных явлений.

Нужен принципиально новый подход с учетом всех пространственно-временных уровней взаимосвязи таких процессов.

Перечисленные выше проблемы, а также опыт работы автора в области системного анализа ОПП стали основой выбора темы диссертационной работы.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - Опасные Природные Процессы (ОПП), как сложные системы.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - разработка универсального подхода (метода и методологии) для анализа специфики эволюции любых сложных систем ОПП, включая ОПП, с целью совершенствования моделирования и рекомендаций по улучшению систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Обоснование и разработка принципиально нового междисциплинарного подхода для анализа специфики эволюции любых сложных систем, включая ОПП, на базе структурно-фазовых переходов. Разработка метода исследований индивидуальных структурно-фазовых переходов. Анализ общих принципов эволюции. Создание методологии анализа эволюции сложных систем. Практическое применение нового подхода.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: Теоретическая часть

1. Провести ретроспективный анализ достижений в области смежных наук, для разработки междисциплинарного подхода по исследованию различных ОПП.

2. Разработать и обосновать новый междисциплинарный подход представления процесса эволюции сложных систем как последовательности структурно-фазовых переходов. Создать способ индивидуального и обобщенного анализа переходов. Исследовать принципы эволюции различных сложных систем и рассмотреть возможность управления эволюцией в структурно-фазовых зонах.

3. Исследовать и обосновать источники энергетического развития ОПП на базе взаимодействия сложных систем между собой и с окружающей средой. Изучить специфику взаимодействия систем ОПП и предложить способы оценки степени их взаимодействия и неравновесных состояний.

4. Показать, что ОПП являются подклассом кумулятивно-диссипативных процессов, управляются законами кумуляции и кумулятивной диссипации и образуют аналогичные структуры и формы. Разработать принципы и прогностические признаки возникновения экстремальных фаз эволюции.

5. Разработать новую междисциплинарную методологию комплексного системного анализа ОПП с позиций взаимодействия систем.

Практическая часть

6. Использовать кумулятивно-диссипативный подход для разработки новых моделей ОПП и сформулировать для них предложения по повышению эффективности прогноза, мониторинга и превентивных мер защиты.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Разработан новый междисциплинарный подход представления эволюции сложных систем ОПП в виде диаграмм и сценариев распределения структурно-фазовых переходов в процессе эволюции. Обоснована структура универсального алгоритма для анализа нелинейной динамики любых структурно-фазовых переходов и доказана его применимость для оценки устойчивости и адаптивности систем к нарушению пространственно-временной симметрии в точках бифуркации. Сформулированы основные закономерности эволюции сложных систем ОПП. Рассмотрена специфика моделирование развития сложных систем на междисциплинарной основе. Показана возможность управления эволюцией любой сложной системы в кризисных зонах структурно-фазовых переходов.

2. Доказано, что основой энергетической обеспечения процесса эволюции сложных систем ОПП являются взаимодействия между системами и с окружающей средой. Показано, что взаимодействия базируются на общих принципах и отражаются на внутренних (нелинейность, самоорганизация), внешних (формы) и пограничных (фликкер-шумы, фрактальность, автоволновые явления) состояниях систем-мишеней. Установлена применимость фрактального анализа, фликкер-шумов и универсального алгоритма для оценки степени взаимодействий и неравновесности состояний систем. Сформулированы принципы и признаки этих взаимодействий.

3. Впервые показано, что достижение экстремальных фаз эволюции ОПП

управляется обобщенными законами и принципами кумуляции силовых и потенциальных полей с образованием конечного ряда кумулятивно-диссипативных форм и структур. Доказано, что специфика форм экстремальных фаз ОПП является прогностическим признаком крайне неравновесных состояний систем. Установлено, что процессы вращения вызывают кумуляцию вещества и энергии и, как следствие, максимизацию углового момента инерции системы.

4. Впервые разработана основа новой естественнонаучной методологии комплексного междисциплинарного системного анализа возникновения, эволюции и проявления ОПП как сложных систем. Методология основана на совокупности принципов и признаков эволюции, взаимодействия, кумуляции и кумулятивной диссипации, а также их целостной взаимосвязи.

5. На основе нового подхода систематизирована иерархия взаимодействий сложных природных систем и создана генетическая классификация ОПП. Разработаны новые качественные модели возникновения сильных прибрежных землетрясений и тектонических мегацунами, универсальная модель русловых и устьевых наводнений, а также модели цунамигенных и нагонных наводнений. Сформулированы рекомендации по совершенствованию систем прогнозирования, мониторинга и повышения эффективности превентивных мер защиты.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые разработан новый научный подход, позволяющий рассматривать сложные системы (на примере ОПП) как кумулятивно-диссипативные диалектически взаимосвязанные явления, возникающие и развивающиеся в условиях взаимодействия с другими системами и окружающей средой. Показано, что открытость систем к обмену энергией обеспечивает системам в процессе их развития вхождение в неравновесные состояния и переход к новым равновесным состояниям через структурно-фазовые переходы. Эволюция системы представлена как последовательность структурно-фазовых переходов, которую можно изобразить в виде диаграммы или сценария. На основе анализа смены механизмов структурно-фазовых переходов в процессе эволюции любой системы утверждается необходимость моделирования процесса эволюции на основе междисциплинарного подхода и комплексных систем уравнений, сочетающих газодинамические, термодинамические и электромагнитные параметры и

аргументы с запаздыванием.

2. Предложен универсальный алгоритм феноменологического типа для исследования отдельных структурно-фазовых переходов, позволяющий соединить переход к неравновесному состоянию через процесс хаотизации в зоне бифуркации с последующей самоорганизацией через адаптацию и устойчивость системы на выходе из структурно-фазового перехода. Алгоритм позволяет анализировать структурные переходы и выбирать наиболее неравновесные из ьих для воздействия с целью управления энергетикой ОПП.

3. На основе сопоставления диаграмм и сценариев эволюции различных сложных систем сформулированы обобщенные принципы и признаки эволюции в условиях взаимодействий. На этой базе созданы концептуальные основы междисциплинарной методологии системного анализа ОПП, представляющей собой целостную взаимосвязанную систему принципов, признаков, свойств и методов исследования, объединенных принципом кольцевой связи.

4. Предложенный комплексный кумулятивно-диссипативный системный подход позволил систематизировать иерархию взаимодействий сложных систем и создать новую классификацию ОПП, а также разработать ряд новых моделей различных ОПП. Для них разработаны рекомендации по повышению эффективности мониторинга, прогноза и превентивных мер по защите от ЧС.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется использованием апробированных методов математического моделирования, согласием полученных результатов с данными экспериментов и наблюдений и теоретическими работами других авторов, непротиворечивостью результатов и выводов, их четким физическим смыслом и согласованностью с современными представлениями о предмете исследования. Все результаты прошли апробацию путем научных публикаций и докладов на конференциях и научных семинарах.

Личный вклад автора. Разработана кумулятивно-диссипативная основа для создания единой междисциплинарной теории ОПП на базе комплексного универсального подхода исследования эволюции сложных систем по зонам структурно-фазовых переходов и универсального алгоритма. Создана

генетическая классификация ОПП с позиций иерархии взаимодействия сложных открытых систем и предложены новые модели ОПП. Внесены конструктивные предложения по повышению эффективности систем мониторинга, прогноза, превентивной защиты и управления уровнем опасности ОПП.

Апробация работы. По результатам исследований разработан курс «Опасные Природные Процессы», читаемый в АГЗ МЧС, выпущены учебник с аналогичным названием, 3 учебных пособия и 2 монографии. Материалы диссертации докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, обсуждались на различных научных семинарах.

Список конференций.

Международные: третий советско-японский симпозиум по геодинамике и вулканическим зонам перехода от азиатского континента к Тихому океану, 1575; Международная конференция 1САМ, Геологическое Общество Аляски, Анкоридж, 1992 г.; Международная научная конференция «Геофизика и современный мир», 1993 г.; Международный форум «Информатизация и Экология», 1994; Московский международный форум «Устойчивое развитие в изменяющемся мире», 1996 г.; Международный экологический форум «Инвестиции в экологию - шаг в будущее», Москва, 2001; Международный симпозиум и школа «Синергетика геосистем», 2007 г.; Международные симпозиумы «Фракталы и прикладная синергетика» 2002,2004, 2006,2008 гг.

Всесоюзные: седьмая Всесоюзная н/т геофизическая конференция г. Львов, 1976 г.; Всесоюзное совещание «Геодинамика и полезные ископаемые, 1976 г.; Восьмое Всесоюзное совещание по изучению современных движений земной поверхности, 1977 г.; Первый съезд советских океанологов «Геология морей и океанов»,1977 г.; Всесоюзное совещание «Структура, геодинамика и сейсмичность земной коры Северо-Востока СССР, ГИН РАН, 1990 г.; Всесоюзная конференция «Катастрофы и человечество, Суздаль, 1991 г.; Всесоюзные совещания «Прогнозы и циклы», 1991,1992,1993,1995 гг., Вторая Всесоюзная н/п конференция по проблемам реабилитации населения в зонах экологических нарушений, 1995 г.

Основные публикации по теме.

По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 1 учебник, 3 учебных пособия, 37 научных статей в отечественных журналах и трудах конференций, 9 научных статей опубликовано в рецензируемых журналах по перечню ВАК. Список основных работ представлен в конце автореферата. Общее количество научных публикаций автора около 160 наименований.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа объемом 324 страницы состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 258 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении дан анализ состояния вопроса и актуальности темы, рассматриваемой в диссертации. Сформулирован вывод о необходимости разработки новых универсальных методов и новой междисциплинарной методологии комплексного системного анализа возникновения и эволюции сложных систем, как основы будущей теории ОПП.

В первой главе «Исследования по диссипативным и кумулнтивно-диссипативным процессам и структурам (литературный обзор)» проведен обзор научных направлений, достижения которых использованы в работе: теории сложных систем, синергетики, теории фракталов, физической мезомеханики, теория кумуляции и кумулятивной диссипации. Показана целесоообразность объединения достижений этих направлений для исследований ОПП.

В главе 2 «Анализ принципов эволюции сложных систем и Опасных Природных процессов» впервые для анализа любых сложных систем не зависимо от их природы, разработан новый подход, базирующийся на представлении эволюции систем в виде последовательности структурно-фазовых переходов. Подход включает дифференциальный и обобщенный аспекты. В основе первого лежит универсальный алгоритм, сочетающий в себе гармоничное согласование сценария перехода к хаосу по Файгенбауму при вступлении в структурно-фазовый переход и параметров адаптивности и устойчивости на бтзе

золотых пропорций при выходе на устойчивое состояние. Обобщенный анализ включает построение и сравнение различных диаграмм и сценариев эволюции. Дано обоснование применимости данного подхода для вариантов кумулятивной и диссипативной эволюции. Проведен анализ диаграмм эволюции для испытаний циклического воздействия на образцы из сплавов, процессов кристаллизации в капле раствора при участие ултрадисперсных порошков, эволюции Биосферы, а также сценариев зон столкновения литосферных плит, тропического циклона, торнадо. Подобие диаграмм и сценариев эволюции по структурно-фазов: ш переходам позволило сформулировать общие принципы эволюции сложных систем ОПП. Рассмотрены подходы по управлению энергетикой ОПП на основе воздействия на зоны структурно-фазовых переходов.

В главе 3 «Анализ взаимодействия сложных систем ОПП» показано, что основой обеспечения процесса эволюции любой системы энергией является взаимодействие ее с другими системами или окружающей средой. Проведен анализ принципов и признаков взаимодействий. Исследованы типы и специфика взаимодействий сложных систем. Особое внимание обращено на контактные способы взаимодействия. Впервые показаны возможности анализа степени взаимодействий и неравновесности систем на базе теории самоорганизованной критичности, фликкер-шумов и фрактального анализа (на примере анализа береговых линий). Исследована важная роль спирально-автоволновых процессов для обеспечения энергией ряда ОПП с цилиндрическим аттрактором (ТЦ, торнадо, смерчи, молнии). Для каскадных типов взаимодействий в сплошной среде на основе алгоритма построена таблица значений функции самоподобия, полезная для количественной интерпретации изосейст.

В четвертой главе «Исследование экстремальных фаз развития Опасных Природных Процессов» обсуждаются специфика экстремальных фаз эволюции ОПП и принципы их достижения. Проведен анализ обобщенных законов кумуляции силовых и потенциальных полей. Обсуждена специфика формирования структур и форм высокоэнергетичных процессов. Доказано, что ОПП являются составной частью более широкого класса кумулятивно-

диссипативных процессов. На основе расчетов угловых моментов инерции вращения не дифференцированной и дифференцированной на слои Земли показано, что вращение приводит к кумуляции энергии и увеличению момента инерции. Разработаны общие принципы кумуляции и кумулятивной диссипации и обсуждены специфика форм и структур высокоэнергетичных процессов в ОПП.

В пятой главе «Методология синергетического анализа ОПП» на основе объединения принципов и признаков эволюции, взаимодействий, кумуляции и кумулятивной диссипации разработана новая естественнонаучная методология междисциплинарного комплексного системного анализа ОПП. Все принципы объединены в систему за счет принципа обратной взаимосвязи, что делает предлагаемую методологию целостной научной концепцией.

Шестая глава «Практические приложения методологии системного анализа опасных природных процессов» посвящена вопросам практического приложения нового подхода. Здесь изложены основы классификации ОПП с позиций взаимодействия сложных систем. Разработаны новые качественные модели возникновения сильных прибрежных землетрясений, тектонических мегацунами и наводнений (речных, цунамигенных, нагонных). Сформулированы предложения по совершенствованию систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты для рассмотренных моделей ОПП.

В заключении подведены итоги исследований. Подчеркнута эффективность разработанной методологии в теоретическом и прикладном аспекте. Отмечены перспективы ее дальнейших приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Защищаемое положение №1. Разработан новый междисциплинарны* подход представления эволюции сложных систем ОПП в виде диаграмм и сценариев распределения структурно-фазовых переходов в процессе эволюции. Обоснована структура универсального алгоритма для анализа нелинейной динамики любых структурно-фазовых переходов и доказана его применимость для оценки устойчивости и адаптивности систем к нарушению пространственно-

временной симметрии в точках бифуркации. Сформулированы основные

закономерности эволюции сложных систем ОПП. Рассмотрена специфика моделирование развития сложных систем на междисциплинарной основе. Показана возможность управления эволюцией любой сложной системы в кризисных зонах структурно-фазовых переходов.

В природе существует две ветви эволюции. С одной стороны система может эволюционировать за счет самоорганизации путем концентрации энергии и вещества, т.е. кумулятивным путем. Например, возникновение планет, спутников, различных кристаллов и т.д. С другой стороны после накопления достаточного количества энергии эволюция может проходить по диссипативному сценарию. Например, звезды, молнии и др. Фактически всегда присутствуют оба процесса, но название присваивается по преобладанию какого либо из указанных процессов. Иногда можно наблюдать одновременное совмещение обоих типов в равной степени, как это происходит, например, в циклонах, торнадо, смерчах, молниях. И тогда целесообразно говорить о кумулятивно-диссипативных процессах. Наиболее исследованным является диссипативный вариант эволюции в связи со значительным интересом к проблемам динамического хаоса.

Впервые динамический хаос был изучен на примерах простых систем (логистическое уравнение Ферхюльста) М.Фейгенбаумом, где было показано, что периодические колебания усложняются, обнаруживая последовательность с удвоением периода колебаний. Затем процесс перестает быть периодическим, приводя к полосам хаотического поведения. Такой сценарий был назван бифуркационным и зоны бифуркаций стали привлекательными для анализа.

С позиций физического подхода в таких зонах исследуются фазовые переходы 1-го и 2-го рода, в которых резко меняются свойства вещества ипи процесса в рамках изменяющихся параметров. Причины - неравновесное состояние в зоне фазового перехода и высокая чувствительность к внешним воздействиям. Параметры порядка при физических фазовых переходах -температура, давление, характеристики электромагнитных полей. Флуктуации в этих зонах играют особо важную роль, так как за счет них система существенно расширяет спектр поиска резонансных частот для подкачки энергии из вне на внутреннюю перестройку. Нелинейное взаимодействие флуктуаций обеспечивает

12

фрактальность зоны перехода. Более того, согласно Л.Д. Ландау (1937), при фазовых переходах второго рода происходит изменение симметрии: выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Симметрия появляется и исчезает скачком.

Структурно-фазовый метод анализа эволюции сложных систем. В жизни любой системы, включая и человека, существует последовательный ряд кризисных или перестроечных периодов, когда система переходит на новый уровень развития. Эти периоды маркируют весь процесс жизни системы и характеризуются резким изменением свойств всей системы. Описание их индивидуально и представляет собой весьма сложную задачу, так как здесь требуется разработка обобщенных параметров порядка. Например, установлено, что разнообразные системы, включающие гранулированные среды, коллоидные суспензии и молекулярные системы, демонстрируют неравновесные переходы от флюидообразного к твердотельному состоянию, характеризующиеся внезапным торможением их динамики по типу «затор на дорогах» (Trappe V., Prasad V. et all, 2001). Это первые попытки построить фазовые переходы в сложных динамических системах по характеру изменения обобщенных параметров.

Ключевые этапы эволюции сложных систем, с появлением в системе новых структур, симметрий и свобод, автором названы структурно-фазовыми переходами сложных систем. Исследование таких переходов избрано автором в качестве ключевого способа анализа эволюции сложных систем [Иванов О.П., Иванова B.C., 2009]. Данный подход используется нами в двух вариантах: 1) для исследования специфики реальных структурно-фазовых переходов; 2) для исследования закономерностей топологии распределения фазовых переходов в процессе эволюции в диссипативных и кумулятивных вариантах с целью сопоставления сценариев эволюции различных систем и выделения общих принципов.

Первый подход предполагает разработку универсального метода исследования различных структурно-фазовых переходов вне зависимости от природы их происхождения. Предложенный здесь феноменологический алгоритм

позволяет описать факт вхождения сложной системы в структурно-фазовый переход и оценить то, что получилось на выходе. Современная теория динамических систем оперирует рядом сценариев перехода системы из равновесного состояния в неравновесное хаотическое состояния, но она абсолютно бессильна в понимании принципов выхода из него, тогда как любая даже простейшая система легко находит такой выход. Проблема заключается в том, что ни современная синергетика, ни какая-либо друга междисциплинарная теория не подошли к пониманию того, как дополнить эволюционные уравнения параметрами самоорганизации и это превращает теорию хаоса в чисто математический эксперимент. Ярким примером является анализ логистического уравнения, который дает сценарий входа динамической системы в состояние хаоса и ничего не говорит о том, как из него выйти. Проанализируем ситуацию хаотизации, чтобы оценить конструктивную роль предлагаемого алгоритма.

Поведение простых хаотических систем можно описать простой итерационной нелинейной зависимостью:

ХП+1 = ^Х„Д) (1)

В 1971 году Н. Метрополис, М. Стайн и П. Стайн (теоретический отдел Лос-Аламосской лаборатории) открыли важное свойство итераций: при изменении параметра характер поведения итераций не зависит от конкретного вида итерируемой функции. В частности, у большого класса функций при увеличении параметра происходит разрушение прежде устойчивого цикла и замена его циклом с удвоенным периодом. Это удвоение периода продолжается до бесконечности, и возникает хаотическое поведение.

Прологом к исследованию таких систем явилось уравнение П.Ф. Ферхюльста (1845 г) для описания связи между численностью популяции, и обеспечением пищей в пределах ниши ее существования. Уравнение, названное потом в биологии логистическим, имело вид:

Ып+1^„+сеМп-/3^-уМп2 (2)

Здесь а - коэффициент рождаемости, р - коэффициент смертности, у -коэффициент смертности, связанный с ограниченностью пищевого ресурса.

Выбор квадратичной зависимости связан с недостатком ресурсов, порождающим внутривидовую борьбу, интенсивность которой пропорциональна количеству возможных контактов между отдельными особями. Количество возможных парных контактов соответствует N2. Не все контакты заканчиваются летальным исходом, что и задается коэффициентом у. Во времена Ферхюльста еще не было понятия самоорганизации и поэтому совершенно очевидно, что коэффициент у, не может обеспечить самоорганизованный выход системы из математически надуманной ситуации. Тем не менее, здесь все же есть часть истины. Данная нелинейная модель может быть упрощена следующей заменой: x=N(y/X), где X = 1+ а - 3; 0 < а; р < 1; 0<хп<1. В итоге мы получаем аналог дискретного отображения, так как прирост популяции происходит в дискретные моменты времени:

х„+1 =Я.хп (1-х„) (3)

При разных значениях параметра график функции f(x, X) = Я х (1 - х) представляет собой квадратичную параболу:

= (4)

2 4

Файгенбаум исследовал итерационные свойства этого отображения и установил, что поведение таких хаотических систем отвечает сценарию удвоения

периода Т - 2Т - 4Т -.....Скорость перехода определяется константой 8 = 4,669.

Дальнейшие исследования показали, что переходы в точках бифуркации () хп* носят самоуправляемый характер, так как адаптация контролируется обратной связью [Иванова B.C., 1992]. Одновременно здесь реализуется условие автомоделъности:

х„*/хп+1* = (1Л*)1/(1-х„*) (5)

При возникает переход от упорядочения к бифуркации. При хп=хп*, отношение Хг/Хп* характеризует границы изменения управляющего параметра вплоть до которых, величина А,=л* сохраняется постоянной.

Обозначим: 1/А-* = Aj. - мера устойчивости системы, параметр 1/(1-Хп*) -

это способность системы к перестройкам при 1/ А,* = const.

В свою очередь для иерархического ряда иррациональных чисел функция самоподобия может быть представлена в виде степенной зависимости:

F = (6)

где m - двоичный код.

При Ai=const изменения происходят в последовательности m=l,2,4,8,.,m*, где т* является порогом самоподобной связи Aj и т. Введем понятие адаптивности как итога перехода в виде величины скачка управляющего параметра, установившаяся после прохождения точки бифуркации [Иванов О.П., Иванова B.C., 2003]:

Рассмотрим возможность оценки состояния системы, прошедшей через переход решениями обобщённого уравнения золотой пропорции:

Тогда спектр Aj (в соответствии с i=l,2,3,...) выглядит следующим образом: 0.618; 0.465; 0.380; 0.324;...., 0.213; при р = 1, 2, 3, 4 ...

Вышеприведенный спектр нами был принят в качестве мер устойчивости структур. Важно отметить, что 1/5 вплоть до третьего знака отвечает восьмому корню обобщенной золотой пропорции 1/8=1/4,669=0,213, а динамическая устойчивость периодических систем контролируется величиной обратной связи и соответствует первому корню обобщенной золотой пропорции Л, =0,618. Системы с 0,213 < Ai < 0,618 являются переходными. На наноуровне такой процесс включает самоподобное изменение связи критериев Нуссельта и Рейнольдса при изменении кода обратной связи.

В работах [Иванова B.C. 1992; Иванов О.П., Иванова B.C., 2003] установлено, что в точках бифуркаций функция самоподобия отвечает самоуправляемому синтезу структур. Это позволило условие такого синтеза

(7)

(8) (9)

структур представить в виде базового алгоритма:

Важно отметить, что данный алгоритм является феноменологическим.

Он связывает величину скачка параметров порядка или управляющих параметров в зоне структурно-фазового перехода со степенными преобразованиями корней уравнения обобщенного золотого сечения, позволяя оценить степень достигнутой сложной системой адаптивности и устойчивости.

Данный алгоритм был табулирован (табл. 1), поскольку мера устойчивости и код адаптации являются инвариантными. Это позволяет тестировать систему, и определять смогла ли она сохранить после преобразования прежнюю симметрию или нет, т.е. определять условие Д( = const с ростом т.

Табл.1. Значения меры адаптивности Ат системы к нарушению симметрии, связанной функцией самоподобия с мерой устойчивости симметрии (Д|) и кодом адаптации m системы к нарушению симметрии.

F = Д||/га

i ш

2 4 8 16 32 64 128

1 0.618 - -

2 0,465 0,68

■ 3, 0,380 0.62 0,79 .

4 ' 0,324 0,57 0,75 0,87

5 0,285 0,53' 0,73 0,85 0.92

6 0.255 0.5 0,71 0,84 0,92 0.96

7 0,232 0,48 0,69 0,83 0.91 0,95 0,98

8 0,213 0.48 0.68 0.82 0.91 0.95 0.98 0.99

Если сопоставить (6) и (5) и данные таблицы, то при А ¡= 1/5, где 5 - постоянная Фейгенбаума и т —> со отношение (7) является пределом адаптивности системы Аттах = 0,99 (при т = 128) к структурным перестройкам на последнем периоде.

Данный подход использован нами далее при анализе различных структурно-

фазовых переходов и адаптивности грунтов при сейсмических воздействиях.

Второй вариант состоит в использовании метода структурно-фазовых переходов для исследования и сопоставления диаграмм и сценариев эволюции различных сложных систем, что позволяет выделить общие принципы эволюпли сложных систем. Данные переходы хорошо выделяются, так как в таких зонах система находится в крайне неравновесном состоянии, ибо здесь возникают флуктуации, разрушающие существующую старую систему, происходит резкое изменение свойств веществ и процессов, идет непрерывное согласование положительных и отрицательных обратных связей. Экстремальный рост теплоемкости, свойственный фазовым переходам 2-го рода, резонансно обеспечивает резкий приток энергии в систему и перевод ее, согласно Ландау Л.Д. (1937), на новый уровень симметрии. Могут изменяться параметры порядка.

Практическое достоинство метода структурно-фазовых переходов, состоит в возможности установления наиболее неравновесных структурно-фазовых переходов для управления энергетикой системы слабыми воздействиями, т.е. возникает возможность управления эволюцией ОПП, не доводя ситуацию до экстремальных проявлений с поражающими факторами.

Рассмотрим процессы эволюции разноплановых систем: диаграммы усталостного разрушение сплавов при циклических нагрузках (авиация), процессы кристаллообразования (минералогия), биосфера (биосреды), сценарии эволюции процессов столкновения литосферных плит (сплошные среды), возникновения тропических циклонов (дискретные газовые среды) и торнадо (смешанные газово-плазменные среды).

Диаграммы разрушения металлических сплавов под действием циклических нагрузок соответствуют диссипативному варианту эволюции испытуемого материала. Разрушение материала образца происходит строго по каскаду бифуркаций (японские и российские исследования (Шанявский A.A., 2007)). Переходы между точками бифуркации удовлетворяют величине Ai = 0,618 для соотношения между уровнями напряжений CTW1/CTW2 = CTW2/CTW3 в случае сплавов на основе железа и Ai = 0,213 для алюминиевых сплавов. При этом

18

1/2

(тт/от) = А| - универсальная постоянная разрушения материала, где тт -теоретическая прочность на сдвиг, от- прочность на отрыв.

Диаграммы процесса кристаллизации в открытой капле раствора в присутствии ультрадисперсных порошков соответствуют варианту кумулятивной эволюции. Реализация процесса проявляется в изменении формы кристаллов и физико-механических свойств раствора кальцийфосфатного соединения в капле. Процесс является строго бифуркационным (Седельников В.В., 2005). Испарение уменьшает концентрацию и силу поверхностного натяжения капли. Отношение управляющего параметра (концентрация УДП) разных точек бифуркаций во всех концентрационных диапазонах величина

л; л? лсш

F = —— - —- = —= 0 9900596 постоянная и равна: дш

Уменьшение поверхностного натяжения раствора КФС свидетельствует о снижении энергии Гиббса и уменьшение энтальпии, при этом адаптивность и симметрия системы уменьшаются, а устойчивость возрастает.

Следовательно, рассматривая совместно теорию поверхностных явлений Д.Гиббса, теорию неравновесных фазовых переходов И.Пригожина, базовый алгоритм самоуправляемого структурообразования сложных систем и бифуркационную диаграмму перестройки кристаллизующихся структур, можно сделать оценку начального и конечного состояния системы и характер преобразований, происходящих в системе, развивающейся по кумулятивному сценарию. Сопоставляя приведенные результаты исследований можно утверждать, что диаграммы эволюции систем в диссипативном и кумулятивном вариантах идентичны. Это утверждение делается впервые. Сценарий эволюции Биосферы построен на аналогии между структурно-фазовыми переходами и усложнением видов живой природы. Каждый новый вид отличается от предыдущего большим числом типов клеток. Появление нового типа клеток в системе видов рассматривается как появление нового аттрактора (Кауфман С., 1991) и считается нами структурно-фазовым переходом (рис.3).

Аналогичный подход в упрощенном виде применен и для социума.

N типов клеток 00

_I_и

Т МЛК.П. 100-

200 300 -400 600 600 -700 100 800 ■ 1000 ■

120 180 -г_I_1_

240

иощвыьиппи • мипимптнив цикле

I (.-#¿-14 Приматы

Млекопитающие Теплокровные Хладнокровные

\У1 —' \ Человек Гоминиды V

/

Позвоночные Высшие многоклеточные

Головоногие моллюски

\

Низшие многоклеточные

• Эукариоты

Ступени цефализации

Информационный цикл 0,5в Постиндустриал ьн ы й цикл 1,3а Индустриальный цикл 2,3в Предындустриальный цикл 4,5а Ранне • феодальный цикл 7в

Античный цикл 12в

Восточно-рабо вл ад ельчески й цикл 22в

Неолитический цикл 32в

Биологические циклы

1100 ^ -Прокариоты

Рис.3. Схемы эволюции сложности биосферы (слева) и социума (справа). Фактически это диаграммы, построенные на реальных данных [Иванов О.П., 2003]. Для построения кривой эволюции социума в качестве управляющего параметра принят тип социально-экономических формаций (Яковец Ю.В., 1993).

Сценарий эволюции зон столкновения литосферных плит [Иванов О.П., 2006, Иванов О.П. и др., 2007]. Сценарий строится на основе смены механизмов аккумуляции упругой энергии и подтвержден результатами матмоделирования.

1. Упругие деформации литосферных плит в зоне их столкновения, приводят к поднятию общего центра тяжести плит и к первичной аккумуляции энергии.

2. Затем в осадочной среде преддугового бассейна возникает переход от упругих деформаций к пластическому складкообразованию с возникновением центров кумуляции в ядрах складок.

3. Дальнейшая кумуляция потенциальной энергии обеспечивает переход к хрупким деформациям на микроуровне. По мере развития этого процесса происходит последовательный переход от трансляционных сдвигов к ротационным (Панин В,Е.,1998,2004).

4. Далее микротрещины объединяются и развиваются хрупкие разрушения на мезоуровне, сопровождаемые землетрясениями малых магнитуд (форшоки).

5. Трещины мезоуровня соединяются в тектонический разлом, сопровождаемый сильным землетрясением и тектоническими подвижками.

Теоретическое обоснование данного сценария эволюции проведено поэтапно на основе данных геолого-геофизических наблюдений и результатов математического моделирования [Ушаков СЛ., Иванов О.П. и др, 1979]. Первая позиция сценария по аккумуляции энергии при упругом изгибе литосферных плит рассмотрена на примере изгиба (под действием сил Г/ и отнесенных к единице длины вдоль линии желоба) упругой пододвигающейся пластины покоящейся на идеально вязкой жидкости (рис. 1).

Рис.1. Изгиб литосферы в районе желоба и передового вала, р„ , р0 -плотности воды и передового вала пододвигаемой плиты. Решалось дифференциальное уравнение линии изгиба следующего вида:

И

Гу а4

= ~{рт -РоЫ-у'Р,,

(Н)

где Б] и отнесены к единице длины (вдоль простирания желоба); рт, ро~ плотности мантии и воды океана; у~1/4 — коэффициент Пуассона, Е - модуль

Юнга, Я - эффективная толщина упругой литосферы, £> = -—-А—2— жесткость

12

литосферы. Решение уравнения (9) имеет вид

^ АргРОаг-ргу И J

(12)

где иначе [л] = —, следовательно, Х2=Лря/4В характеризует длину

А,мм5а СМ

волны изгиба и затухания в отсутствии сжимающей силы (^=0); а=(Я.2-^|/4£))ь2 определяет длину затухания прогиба, а + - определяет характер

длины затухания прогиба, т.к. {3 = 2тс/а при 0.

Сопоставление теоретического профиля с наблюденным профилем для Курильской и Алеутской дуг показало их хорошее совпадение в точке

максимального прогиба плиты (* = 0,;у = у0 = -—т | > в точке, где прогчб

АРё(За2-02);

у(х) в первый раз обращается в ноль, считая от оси желоба

^ = -1) |,

(* = *». =^ягс<£(-г), где .у = >-„,=

Р Дpg(Зa2-/?2)

в первом максимуме функции у(х)

г-Угля"""

амплитуда передового вала).

Надвигающийся край литосферы представлен в виде модели клина (рис.2).

а Х'О

Рис. 2. Модель взаимодействия конвергентных краев плит: А - характер гравитационных аномалий Agc.в, над системой передовой вал - желоб - островная дуга, В - распределение нормальной д, и касательной нагрузок по поверхности контакта плит; эквивалентное воздействие пододвигающейся литосферы на надвигающийся выступ. С - представлено в виде сосредоточенных сил горизонтальной Рг и вертикальной Fв, О - различные варианты распределений д и г. по поверхности контакта.

Уравнение прогиба балки с площадью сечения, зависящей от х, подверженной действию нормальных усилий интенсивностью д и касательного усилия р(х) в сечении х(р(х) = хх + р0) выглядит как:

£у

скг \ К ' ск2 ) с!х{ 4 ' (к

П{х)

Для случая клина: D(x)-Ax3=D(b)(-)3, где D(b) — изгибовая жесткость

в

пододвигающейся литосферы и начало координат х=0 выбрано в вершине клина. Для анализа всех этих случаев использовались три частных решения уравнения (11). Во-первых, изгиб клина под действием равномерных гид, во-вторых, изгиб участка клина, свободного от поверхностных нагрузок, т.е. при условии q = г = 0, в-третьих, описывает изгиб поверхности свободной от нагрузок, но при наличии осевой сжимающей силы R, не зависящей от х. Общим свойством рассмотренных решений является пропорциональность деформаций клина (а вместе с ней моментов и напряжений), интенсивности вертикальной нагрузки д, что отражает линейный характер задачи. Теоретические данные показали хорошее совпадение с наблюденными данными по рельефу и Agc.,..

Для доказательства кумулятивности фазы складчатости было проведено решение дифференциального уравнения изгиба тонкого осадочного слоя [Ушаков С.А., Гулушкин Ю.И., Иванов О.П., 1977]:

y=a„exp(cmt) cos (тях/l) (14)

(F.INJjnrcllf-kINo „ _

где т - целое число и с,, = ——------. Здесь: Fp горизонтальная

(тл11)

сжимающая сила, JV0 = /¡V3, h - толщина изгибаемого слоя, г] - вязкость слоя, тл/1 - масштаб длины, к = Apg, Ар -разность плотностей материала вязкого пласта и подстилающей жидкости. Решение показывает, что если сжимающее продольное усилие Fi велико, F\>k(l/mnf, то амплитуда возмущения с длиной волны 1/тп растет со временем как exp(jcm|i). Скорость изменения деформаций со

временем будет наибольшая для возмущений с большой длиной волны.

Сопоставление наших данных теоретических расчетов с данными исследований строения осадочной толщи в Черном море в Кавказской переходной зоне показало хорошее совпадение и позволило объяснить специфику видов складчатости во времени [Ушаков С.А, Галушкин Ю.И., Иванов О.П., 1977].

Возникновение следующего фазового перехода связано с переходом к хрупким деформациям на микроуровне. В соответствии с работами академика

Панина В.Е. (1998, 2004 гг.) по мере развития этого процесса происходит последовательный переход от трансляционных сдвигов к ротационным и, лишь потом включается механизм мезоуровневой тектонической трещиноватости. Завершается процесс развитием тектонического разломообразования макроуровня с возникновением сильных землетрясений. Фазовость перехода подтверждает анализ универсального предвестника геомеханических катастроф. Он реализуется в три этапа; 1) вначале происходит уменьшение частоты наблюдаемых волновых возмущений в среде вблизи неравновесной зоны очага будущего землетрясения; 2) затем следует уменьшение декремента затухания апериодических возмущений (Дубровский В.А., Сергеев В.Н., 2004); 3) возникает землетрясение.

Сценарий эволюции тропического циклона (ТЦ) по структурно-фазовым переходам сводится к смене механизмов разгона вращения циклона (структурно-фазовых переходов) по следующей схеме [Иванов О.П., 2008]: 1) заложение зс ты депрессии Р; 2) развитие вращения с достаточным волнением для возникновения дисперсионной смазки (капельки воды до 20 микрон, срываемые с гребешков волн), снижающей турбулентное трение, и одновременно возник восходящий вертикальный отток с У<10 м/с; 3) 1-я фаза разгона по вертикали за счет выделения латентного тепла пара 540 кал/г на высоте Н=300-500 м и Т=11° С (точка росы); 4) 2-я фаза разгона на Н=2-3 км за счет охлаждения капель и выделения латентного тепла (100 кал/г) и их замерзания (80 кал/г); 5) 3-я фаза разгона при переходе на вертикальный спирально-вихревой когерентный энергообмен; 6) разгон за счет генерации электромагнитных полей; 7) фаза развития ТЦ с возникновением спирально-конвективных структур, типа «тепловых башен» - формирование устойчивых бассейнов притяжения в системе.

Сценарий эволюции торнадо по структурно-фазовым переходам содержит следующие фазовые переходы: 1) электрическое структурирование грозового супероблака; 2) дифференциация зоны отрицательного или положительного заряда (Н = 4 - 8 км) на отдельные бассейны притяжения; 3) возникновение отдельной вращающейся зоны в среде заряда и ее кумуляция к оси вращения; 4) движение вращающейся кумулятивно-диссипативной зоны вниз; 5)

контакт с поверхностью и резкое усиление вращения за счет электростатической пыли, визуализация зоны контакта; 6) усиление магнитного поля и разделение зарядов за счет нарушения нейтральности; 7) взрывное ускорение вращения.

ВЫВОДЫ

1.Точки бифуркационных или структурно-фазовых переходов являются ключевыми, так как в них гармонизируются адаптивность и динамическая устойчивость сложной системы в процессе эволюции при изменяющихся внешних условиях получения энергии.

2. В связи с тем, что современная теория динамических систем рассматривает в основном только модели перехода к хаосу и не включает в систему эволюционных уравнений параметры самоорганизации системы для выхода на устойчивую траекторию развития, как это происходит в реальности, то предлагаемый нами алгоритм дает первую возможность оценки реалий такого перехода за счет формализованных понятий адаптивности и устойчивости.

3. Эволюция сложных систем, включая ОПП, - происходит иерархически путем последовательного усложнения структуры системы.

4. Иерархичность возникает в точке бифуркации при достижении системой неравновесного состояния и скачкообразного перехода на новую равновесную траекторию развития.

5. Скачкообразность перехода реализуется за счет смены механизмов развития или параметров порядка.

6. Кривая аппроксимации структурно-фазовых переходов имеет степенной вид, характерна идентичность сценариев эволюции в диссипативном и кумулятивном вариантах.

7. Последовательность смены параметров порядка подчиняется также и фрактальным закономерностям.

8. Сопоставление диаграмм и сценариев эволюции позволяет разработать основные принципы эволюции (см. главу 5).

9) С позиций нового эволюционного подхода принципиально важным является знание наиболее кризисных зон структурно-фазовых переходов. Именно в них, в

условиях крайней неравновесности, появляется возможность малыми энергетическими воздействиями изменить траекторию, темп и конечную цель эволюции различных ОПП, не допуская их развития до экстремальных состояний, когда они становятся опасными. Знание специфики энергетической сущности фазовых переходов системы - это знание функциональной значимости «акупунктурных» точек эволюционного процесса, позволяющее управлять им с минимальными энергетическими затратами в целях превентивной защиты. 10) При моделировании сложных эволюционирующих систем нужно использовать системы уравнений, учитывающие усложнение систем за Схет смены механизмов фазовых переходов или параметров порядка. Например, последовательное использование уравнений термодинамики, газодинамики и электродинамики с применением аргументов запаздывания для описания ТЦ.

Защищаемое положение №2. Доказано, что основой энергетической обеспечения процесса эволюции сложных систем ОПП являются взаимодействия между системами и с окружающей средой. Показано, что взаимодействия базируются на общих принципах и отражаются на внутренних (нелинейность, самоорганизация), внешних (формы) и пограничных (фликкер-шумы, фрактальность, автоволновые явления) состояниях систем-мишеней. Установлена применимость фрактального анализа, фликкер-шумов и универсального алгоритма для оценки степени взаимодействий и неравновесности состояний систем. Сформулированы принципы и признаки этих взаимодействий.

Наиболее полно изучены фундаментальные физические, химические и биологические взаимодействия. Анализ социальных взаимодействий только начинается. Исследования взаимодействий сложных природных систем до сих пор не проводились. Для простоты анализа предложена логическая схема обобщенного анализа взаимодействий сложных систем. Как показано в работах [Иванов О.П., 2000, 2008; Иванов О.П., Высикайло Ф.И., 2005, 2007] при взаимодействиях системы-диссипаторы обеспечивают энергией системы-мишени, которые, в зависимости от получаемого количества энергии, могут аккумулировать, трансформировать или даже диссипировать энергию.

Система - диссипатор всегда обладает большей энергией по сравнению с ситемой-мишенью (следует из свойств индивидуальности и иерархии сложных систем). Она может воздействовать на систему-мишень дистантным способом (электромагнитное, корпускулярное излучение и гравитационное воздействие) или контактным способом (столкновение воздушных масс, литосферных плит, метеороидов, склоновая и береговая эрозии и т.д.). Воздействие может быть периодическим (11-летний солнечный ритм) и стохастическим (вспышечтгая деятельность на Солнце). Система-диссипатор может выполнять ритмообразующая роль (навязывать ритм) для соподчиненной системы, модифицирующую роль (изменение подсистем или системы) и разрушительную роль (частичное или полное разрушение системы).

Система - мишень обладает свойствами: 1) приема энергии (контактно или дистантно), 2) аккумуляции ее внутри или в пограничной подсистеме, 3) перераспределения энергии внутри системы, 4) вхождения в неравновесьые состояния параметрически или объемно и 5) излучения избытков полученной и переработанной энергии диссипативно или концентрированно (кумулятивно-диссипативно) [Иванов О.П., 2000].

Взаимодействия сложных систем со средой рассматривается отдельно, ибо среда в этом случае становится энергетически активной и интенсивность взаимодействий определяется типом аттрактора и механизмом накачки энергии, например с помощью автоволновых процессов.

Исходя из рассмотренных специфик взаимодействий сформулированы принципы взаимодействия сложных систем и признаки их взаимодействий.

Признаки взаимодействий сложных систем характеризуют качественную сторону процесса. Их можно разделить на несколько групп: внутрисистемные (самоорганизация структурирования, нелинейная динамика систем, формы систем), пограничные (состояние зон взаимодействия), смешанные или связанные с окружающей средой, последовательные или каскадные (характер передачи взаимодействия) и разрушающие (уровень взаимодействия).

В работе дан анализ всех групп признаков взаимодействий. Детально

рассмотрено влияние нелинейности процессов, нелинейного резонанса и обсуждена проблема возникновения солитонов (волн-кепроулеров в океане). Особое внимание обращено на возможности контактных способов передачи энергии и специфику пограничных неравновесных зон.

Наличие в системе фликкер-шума означает возможность гигантских флуктуаций, т.е. внутренне присущую системе склонность к катастрофам. Это позволяет предположить, что она находится в окрестности критической точки, или точки бифуркации, где обычно и происходят такие явления.

Возможности фрактального анализа апробированы на примере расчета фронтальности береговой линии оз. Байкал. Показано, что дробная размерность свидетельствует о двух обстоятельствах: 1) это результат взаимодействия системы берега и водной системы, при этом волновое воздействие на океанах сильнее, чем в озерах. 2) это количественная характеристика степени устойчивости и адаптивности береговой системы; скалистые берега более устойчивы и, следовательно, больше локально изрезаны и их фрактальная размерность выше [Иванов О.П., Оксогоев A.A., 2008].

Наиболее ярким представителем контактного способа передачи энергии служат прямые столкновения систем. Например, при воздействии метеороидов с поверхностью Земли вся кинетическая энергия в доли секунды переходи; в тепловую энергию взрыва с последующим образованием структуры метеоритного кратера [Иванов О.П., Хрянина Л.П., 1977]. Столкновение разнотемпературных воздушных масс приводит к образованию атмосферных фронтов и соответственно к сильной квазивертикальной конвекции в виде мощных грозовых структур [Мазур И.И., Иванов О.П., 2004]. Явления эрозии (склоновой, речной, береговой и т.д.) тоже результат контактного взаимодействия различных процессов.

Автоволновые процессы являются самым эффективным смешанным контактным способом энергетической накачки ОПП (с цилиндрической осью вращения) при взаимодействиях с окружающей средой (пожары, ТЦ, торнадо, молнии и т.д.). Именно спирально автоволновые процессы ответственны за динамическую устойчивость вихревых образований типа циклонов, торнадо,

смерчей. Обсуждены проблемы моделирования таких явлений.

Для случая каскадных типов взаимодействий и каскадной передачи энергии рассмотрена задача о передаче энергии упругих колебаний от очага землетрясения к поверхности [Иванов О.П., Иванова B.C., 2003].

Важнейшие показатели свойств грунта - радиусы изосейст. Изменение радиуса изосейст характеризует степень изменения сейсмического воздействия с расстоянием от эпицентра и может служить мерой устойчивости (реакции) грунта [Иванов О.П., Иванова B.C.]. Универсальный алгоритм, предложенный в главе 2, можно модифицировать применительно к сейсмическим процессам в виде:

rV,/r*n=Ai1/m (15)

где г - радиусы изосейст, а А; — степень устойчивости.

Алгоритм опробован для 15 крупных землетрясений на территории России. Полученные результаты позволяют дать количественную характеристику как понятию изосейст, так и устойчивости грунтов. Одновременно с помощью оценки адаптивности можно оценить справедливость субъективного трассирования изосейст.

Передача энергии каскадным способом в разнородных средах зачастую вызывает различные «каскадные» катастрофы. Например, землетрясение может вызвать сход оползней, лавин, обвалов. Предложенный алгоритм позволяет производить оценки риска для таких ситуаций за счет нормирования территории по сотрясаемости (адаптации) грунтов от предполагаемых сейсмовоздействий.

Защищаемое положение №3. Впервые показано, что достижение экстремальных фаз эволюции ОПП управляется обобщенными законами и принципами кумуляции силовых и потенциальных полей с образованием конечного ряда кумулятивно-диссипативных форм и структур. Доказано, что специфика форм экстремальных фаз ОПП является прогностическим признаком крайне неравновесных состояний систем. Установлено, что процессы вращения вызывают кумуляцию вещества и энергии и, как следствие, максимизацию углового момента инерции системы.

Из физики плазмы известно, что концентрация какого-либо параметра наиболее эффективно происходит в направлении градиента энергетического

перепада и тем самым минимизируются время переноса энергии и энергозатраты на перенос энергомассовых потоков. Этому же принципу отвечает закон Ферма, согласно которому, распространение упругих колебаний в сплошной среде идет по пути минимального времени прохождения. Поэтому волны с глубиной становятся рефрагированными, что минимизирует время их прохождения в среде, так как с глубиной плотность среды возрастает и увеличивается скорость прохождения упругих волн [Иванов О.П., Облогина Т.И. и др., 1972, 1976].

Для анализа высокоэнергетичных процессов нами предложена следующая терминология. Кумуляция - это концентрация в малом объеме силы, энергии, плотности или другого физического параметра, если под малым объемом понимать структуру, удерживающую эту концентрацию, а под концентрацией понимать нелинейное и закономерное повышение плотности любой физической величины к оси вращения или центру фокусирования.

Кумулятивно-диссипативный процесс - это процесс концентрированной диссипации энергии из локальных зон сложной системы в в:-де структурированных потоков. Основу явлений кумуляции составляют законы кумуляции в силовых и потенциальных полях и процессы фокусировки, создающие типовые формы кумуляции, известные из физики плазмы: плоскостная, цилиндрическая, сферическая и коническая (Высикайло Ф.И., 2003). Кумулятивная эволюция уменьшает число свобод. При сферической кумуляции создается две степени свободы: плоскость вращения и ортогональная к ней ось вращения (галактики, черные дыры) (рис.4).

\ I/

^¡¡¡¡ЩИ

ШШ;. -¡Яг

// I ч

Рис. 4. Схемы формирования симметрий и свобод в случае сферического (слева) и цилиндрического аттракторов (справа).

При цилиндрической кумуляции в ТЦ образуется три степени свободы: 1) плоскость спиральной фокусировки у поверхности воды, 2) плоскость потоков расфокусированных у тропопаузы, 3) зона у оси вращения (рис.4, правый).

У оси вращения резко нелинейно растут плотности газовой среды, скорости вращения, температуры, плотности плазменной составляющей (рис.5, левый), возникают взрывные (Высикайло Ф.И., 2003), а не диффузионные профили кумуляции (рис.5, правый), возможно появление квазистрат (рис 5, средний).

Рис.5. Специфика распределения параметров в условиях вращения.

Вращение максимизирует угловой момент инерции. На примере выполненного расчета момента инерции не дифференцированной и дифференцированной Земли показано, что дифференциация в условиях вращения приводит к увеличению углового момента инерции на величину 15,09-Ю36 кгм2.

Спектр динамических процессов ОПП разнообразен и включает мощную конвекцию, сильную турбулентность, вихревые и спирально-вихревые процессы с соответствующими структурами.

В диссертации сформулированы основные принципы \ возникновения регулярных кумулятивно-диссипативных систем ОПП. Определена роль среды, введено понятие нормальной плотности обобщенного энергомассового потока, характерной частоты, характерных размеров, по которым диссипативные системы макроквантуются в пространстве и образуют кумулятивные формы и структуры.

Защищаемое положение №4. Впервые разработана основа новой естественнонаучной методологии комплексного междисциплинарного системного анализа возникновения, эволюции и проявления ОПП как сложных систем. Методология основана на совокупности принципов и признаков

эволюции, взаимодействия, кумуляции и кумулятивной диссипации, а также принципа их целостной взаимосвязи.

Методология представлена в виде совокупности трех групп принципов: эволюции, взаимодействия и кумулятивной диссипации. Обобщающий принцип взаимосвязи делает эту совокупность целостной и превращает ее в систему. Признаки и свойства придают методологии прикладные свойства.

Концептуальные основы междисциплинарной методологии анализа самоорганизации сложных систем ОПП.

I. Принципы эволюции сложных систем.

1. Мир системен, системы квазиоткрыты и взаимодействуют друг с другом, коэволюционируя по сложности за счет обмена энергией между собой и с окружающей средой.

2. Цель эволюции - развитие по сложности. Это необходимое условие адаптации при неуклонном нарастании системности и вариабельности окружающей среды.

3. Основа эволюции сложных систем - диалектическое единство процессов аккумуляции и диссипации энергии по схеме:

Аккумуляция —»Кумуляция —* Диссипация—» Кумулятивная диссипация.'

4. Процесс эволюции сложных систем дискретен, переходы между усложняющимися состояниями иерархичны, последовательности переходов могут быть аппроксимированы различными степенными закономерностями.

5. Эволюция реализуется на основе принципа минимакса: максимум аккумуляции системой внешней энергии и минимум ее диссипации (минимум энтропии), т.е., если допустимо не единственное состояние системы (процесса), а совокупность состояний, то в соответствии с законами сохранения энергии и топологией связей, наложенных на систему (процесс), реализуется то состояние, которому отвечает максимум накопления внешней энергии и ее минимальное рассеяние, или минимальный рост энтропии.

II. Принципы взаимодействия сложных систем.

1. Взаимодействия сложных систем осуществляется в соответствии с

системной иерархией: а) от надсистемы к подсистеме, б) от сильно неравновесной системы к менее неравновесной, в) последовательно по каскаду событий.

2. Воздействие на системы может быть ршпмообразующим, модифицирующим, и поражающим.

3. Воздействие может быть дистантным или контактным. Наиболее эффективный энергообмен происходит при контактном способе передачи энергии. Возможен смешанный или ретрансляционный спирально-автоволновой способ передачи энергии.

3. Системы - мишени способны принимать и кумулировать энергию, входить в неравновесные и кумулятивно-диссипативные состояния, а также испытывать разрушение частично или полностью в зависимости от уровня воздействия поражающих факторов.

Признаки взаимодействия систем:

1. Внутрисистемные признаки определяют состояние системы, ее структурированность и поведение (тип нелинейности, резонансности, неравновесности), степень и характер самоорганизации (кумулятивной, диссипативной и кумулятивно-диссипативной), уровень динамики (конвекция, турбулентность, вихри, струи, страты).

2. Признаки на границах систем характеризуют степень неравновесности, адаптивности и устойчивости границ (самоорганизованная критичность, фликкер-шумы, фрактальность зон взаимодействия).

3. Признаки контактного взаимодействия со средой характеризуют активность среды и способность ее к самоорганизации (взрывные и резонансные явления, волны-солитоны, автоволновой обмен энергией).

4. Каскадность развития экстремальных процессов свидетельствует об иерархичности среды и дискретной адаптивности ее отклика (последовательное развитие солнечно-земных связей, сход лавин и селей от воздействия землетрясений и т.д.).

5. Признаки поражения окружающей среды и систем свидетельствуют о

высокоэнергетичном воздействии, превышающем адаптивные возможности.

III. Принципы кумуляции и кумулятивной диссипации.

1. Потенциальные и силовые поля стремятся при достижении неравновесности макроквантоваться (конвекция, разломообразование) с установлением дальнего и ближнего порядка и самоорганизовываться в компактные кумулятивные формы и структуры,

2. Специфика кумуляции определяется видом степенных законов кумуляции, геометрией концентраторов и диссипаторов и типом процессов.

3. Кумулятивные процессы модифицируют среду, упорядочивают структуру возникающих систем, усиливают системные степени свободы, создают гиперскорости распространения энергии.

4. Вращение - всеобщее средство кумуляции энергии в компактные формы (по скорости, плотности, температуре, приведенной силе, приведенному потенциалу, по нарушению нейтральности и т.д.), максимизации углового момента инерции и трансформации кинетической энергии в энергию магнитных полей. Оно минимизирует число степеней свободы (симметрий) сложной системы и задает тип структурирования относительно проявленных симметрий с движением модифицированных струйных потоков вдоль них. Одновременно - это способ спирального автоволнового питания кумулятивного процесса в цилиндрических структурах и поддержания его динамической устойчивости.

IY. Общесистемный принцип целостности.

Реализуется в виде обратной кольцевой взаимосвязи всех принципов.

Защищаемое положение №5. На основе нового подхода систематизирована иерархия взаимодействий сложных природных систем и создана генетическая классификация ОПП. Разработаны новые качественные модели возникновения сильных прибрежных землетрясений и тектонических мегацунами, универсальная модель русловых и устьевых наводнений, а также модели цунамигенных и нагонных наводнений. Сформулированы рекомендации по совершенствованию систем прогнозирования, мониторинга и повышения эффективности превентивных мер защиты.

Системная классификация ОПП построена по принципу иерархического

подчинения и взаимодействия от надсистемы к подсистеме и между системами. Выделена следующая последовательность групп взаимодействий: космогенные ОПП, космогенно - климатические ОПП, атмосферные ОПП, гидрологические и гидрогеологические ОПП, геологические ОПП и метеогенно - биогенные ОПП. Группы ОПП детализированы по убывающим масштабам и соподчинению [Мазур И.И., Иванов О.П., 2004]. Классификация используется в АГЗ МЧС.

Модель сильных прибрежных и цунамигенных землетрясений.

Общепринятой моделью возникновения цунами является клавишная модель (Лобковский Л.И., 2005). Ее суть состоит в следующем. Невулканическая дуга зоны поддвига литосферных плит разбита разломами на мелкие микроблоки протяженностью 100-200 км - «клавиши». При поддвиге клавиши верхней плгты поджимаются за счет трения и неоднородностей поверхности пододвигаемой плиты. Магнитуда землетрясения будет определяться шириной клавиши, величиной и скоростью вертикального выброса «клавиши» и длиной зоны разломообразования, ориентированной поперек клавиши.

Магнитуду землетрясения можно определить через сейсмический момент:

Миг-^Д/п-в,!) (16)

где Мц — сейсмический момент в Дж х м. В свою очередь сейсмический момент равен: Ма = цАи (17)

здесь р — модуль сдвига горных пород, порядка 30 ГПа; А - площадь зоны разломообразования; к - среднее смещение вдоль разломов.

Очень важную роль играет длина зоны разломообразования. Так для крупнейших прибрежных цунамигенных землетрясений нами получено эмпирическое соотношение:

М = 6,34 + 0,82 1е Ь (18)

Оно неплохо аппроксимирует реальные ситуации (табл. 1, правый столбец). В случае локального цунами длина зон разрушения составляет лишь 100-200 км (ширина «клавиши») и магнитуда землетрясения не превышает 7 - 7,5 баллов по Рихтеру. При мегацунами она может превышать 1000 км (ширина мезоблока). Следовательно, в основе возникновения мегацунами лежит механизм образования

гиперпротяженных зон разрушения.

Табл. 1, Сильнейшие цунамигенные землетрясения с 1900 г. В праЕ зм столбце магнитуды землетрясений рассчитанные по формуле (16).

Сильнейшие цунамигенные землетрясения планеты с 1900 г.

Магниту да м.„ Глубина Длина зоны Магн!

Местоположение эпицентра Дата (UTC) Гипоцентра разрушения да ра

км км тная

1 О.Вакувер, Канада, Каскадия 26/01/1700 9.0 30 1000 8.9

2 Вблизи побережья Эквадора 31/01/1906 8.8 0 0 0

3 Камчатка 03/02/1923 8.5 0 0 0

4 Море Банда, Индонезия 01/02/1938 8.5 30 0 0

5 О.Унимак. Алеуты 01/04/1946 7.8-8.0 25 0 0

6 Камчатка 04/11/1952 8.2 50 660 8,3

7 Андреановы острова, Алеуты 09/03/1957 9.1 33 760 8.8

S Чили 22/05/1960 9.5 30 1800 9.1

9 Курильские острова 13/10/1963 8.5 0 0 0

10 Пролив Принца Уильяма, Аляска 28/03/1964 9.2 26 1600 9.5

11 Крысьи острова, Алеуты 04/02/1965 8.7 0 0 0

12 О.Сюмелуэ, вблизи Суматры 26/12/2004 9.0 30 1300 9.2

13 Сев.Суматра 03/28/2005 8.7 0 0 0

14 Курильские острова 15/11/2006 8.3 30 550 9.1

Материал подготовлен с использованием данных USGS National Earthauake Information Center

Возможны две принципиально различных ситуации: а) ортогональный поддвиг; б) косой поддвиг. В первом случае возможен отклик объединенного мезоблока клавиш (3-4 клавиши) на поддвиг приподнятого рельефа плиты, как это было при землетрясениях 15 и 17 ноября 2006 г. на Курильских островах [Иванов О.П., Свешников А.А., Дубинин Е.П., 2007]. Ширина взломанного блока и ширина пододвигаемой возвышенности совпадают (=500 км) (рис.8).

From Pos: 151.77074497,42.7042То Pos: 158.50929692,48.01156233

-4750 га -5000 га

ИНяШШННнЯ -5250 ш ииш^ииииид

125 Ы 250 кт 375 кт 500 кт 625 кт 794 кт Рис. 8. Слева контур отломившегося мезоблока верхней плиты, построенный по эпицентрам афтершоков, справа - батиметрический проф.-.ль пододвигаемой плиты, стрелка - направление поддвига.

Первичное сейсмогенерирующее взламывание происходит ортогонально

побережью (от №3 к №10 на левом рис.8). Ширина сейсмогенной стороны около 150 км. Однако такой механизм не может создать более протяженные зоны, ибо | резко нарастает толщина плиты и площадь взлома.

Все сильнейшие цунамигенные землетрясения возникали в ситуациях косого поддвига одной плиты под другую. Здесь вектор движения можно разложить на две составляющие: ортогонально и параллельно поддвигу. ГТри возрастании угла косого поддвига, возрастает составляющая по прижиманию

I

«клавиш» друг к другу, что увеличивает между ними величину трения. Со временем происходит как бы «приваривание» соседних микроблоков-клавиш. Создается новый крупный мезоблок, откликающийся на поддвиг, как единое целое. Подобную ситуацию хорошо описывает предложенная автором на рисунке

I

9 поликлавишная модель [Иванов,

Для тектонического разрушения мезоблока разломом требуются значительные напряжения. Возможен вариант каскада срывов вдоль объединенных микроблоков. Возникает зона разрушения протяженностью 1000 км и более, которая направлена параллельно побережью и ограничена глубиной 25-30 км). Именно по этой причине вспарывание поверхности края Андаманской микроплиты 26 декабря 2004 года длилось около 8 минут и имело две фазы (обычная продолжительность подобных процессов в случае отдельных «клавк.л» не превышает минуты). При этом возник трапецевидный блок между старым андаманским разломом и вновь возникшим разломом. Часть мезоблока у гипоцентра испытала взбросо-сдвиг. Вертикальные подвижки достигли 5 м., а

О.П., 2006].

Рис.9. Схема образования и динамики взбрасываемого

тектонического мезоблока [Иванов

2006, Иванов О.П., 2007, 2007].

горизонтальные -11м. Область активных подвижек охватила зону 600x300 км, а более слабые нарушения распространились на расстояние более 1 300 км.

Это подтверждается геолого-геофизическими данными и характером фокальных механизмов. Анализ зоны сильнейшего Чилийского цунамигенного землетрясения 1960 г., а также зон Андаманской и Алеутской дуг показывает, ;то наличие косого поддвига является обязательным условием формирование крупных мезоблоков для возникновения мегадунами.

На основании новой модели предложены рекомендации по повышению \ эффективности мониторинга и прогноза цунамигенных землетрясений. \

1. С точки зрения цунамигенности главное внимание следует уделять | геодинамическим обстановкам зон косого поддвига.

2. На основании рассмотренных данных (таблица 1) мониторинг должен проводиться в прибрежных районах зон поддвига, охватывающих полосу, в пределах которой располагаются эпицентры крупных цунамигенных | землетрясений с глубиной очага землетрясения в пределах 25-35 км. |

3. В пределах такой полосы необходимо заранее по сейсмологическим и | геодезическим данным определить формирующийся мезоблок (по признаку I монолитности отклика), На ближнем к косому взаимодействию конце и в ] окружении мезоблока распределяются с необходимой частотой геодезические | реперы для мониторинга по слежению за характером относительных | перемещений внутри блока и обрамления блока. Параллельно ведется мониторинг [ состава вод, газовых эманаций, форшокового процесса и проводится анализ | универсального предвестника геомеханических катастроф. Последний критерий | используется в два этапа; 1) сначала в зоне ближнего контакта регистрируется уменьшение частоты наблюдаемых волновых возмущений, 2) за.гм ( анализируется уменьшение декремента затухания апериодических возмущений | (Дубровский В.А., Сергеев В.Н., 2004). Момент сейсмического затишья | характеризуется максимальными скоростями движения плиты под блоком и это |

должно сопровождаться резким увеличением высыпания электронов в ионосферу 1

I

накануне цунамигенного землетрясения. ^

С точки зрения управления процессом можно предложить использование , МГД-генераторов, которые смогли бы создать сейсмическую разрядку и разрушение монолитности мезоблока, за счет освобождения «клавиш» от сильного связующего трения.

4. Зоны с ортогональным поддвигом представляют опасность только в ( плане интенсивности землетрясений и поэтому для них должно быть обязательным картирование батиметрии пододвигаемой поверхности и анализ эффектов воздействия продолжений краевых зон пододвигаемых поднятий на структуре нависающей плиты. ' Качественные модели наводнений. В случае цунамигенных наводнений

главным в предлагаемом подходе является эффект сжатия длины цунамической волны за счет трения в условиях склона и шельфа. Сжатие по длине происходит от нескольких сотен до нескольких десятков

| километров (рис.6). I

Рис.6. Схема наводнения от ' цунами.

I I

I

, При этом возникает подъем уровня вод в прибрежной части достигающий

| 3-4 м. Приподнятый пласт воды длиною в первые десятки километроз 4 надвигается на берег с большой скоростью (более 40 км/ч). Это создает 1 разрушительный потоковый эффект на значительных расстояниях вглубь берега.

Такой подход принципиально отличается от подходов, основанных на | общепринятых шкалах цунами Ииды и Имамуры или Амбрасейса, где главной 1 является высота передовой волны, которая разрушается в окрестности пляжа.

В случае нагонных наводнений тоже присутствует аналогичный эффект. В 1 его основе лежит барическое и кинематическое кумулятивное действие циклона. Понижение атмосферного давления в центре циклона только на 1 мм ртутн ;го

столба, вызывает повышение уровня океана в этом месте на 13 мм (всасывающий эффект). При падении давления на десятки миллиметров на поверхности воды за счет барического эффекта может появляться возвышенность размерами более метра в высоту и диаметром более 150 - 200 км (длинная волна). Максимум подъема сосредоточен под «глазом» бури (10-60 км).

Максимальные изменения возникают, когда центр с ураганными ветрами приближается к берегу. В условиях мелководья соединяются два кумулятивных эффекта: 1) длинная волна первой испытывает сжатие и кумулятивный подъем до уровня 2-3 м за счет трения на мелководье; 2) нагон сжимает ветровые волны и тоже приподнимает уровень воды. На суше высота ветровых волн значительно падает, и размер затопления определяется объемом надвигаемого ветром и затаскиваемого циклоном общего приподнятого пласта воды. Ливни, сопровождающие циклон являются третьей составляющей наводнения. Это утверждение подтверждают следующие данные.

1). Зарегистрированы случаи прихода к берегу и подъема на мелководье передовой волны за счет сжатия за полчаса до прихода сильных ветровых волн.

2). Сильный уровень нагона держится до 10 - 15 мин., а более слабый до получаса. Это результат надвигания суммарного протяженного пласта воды сформированного на мелководье и пополняемого на суше ливневыми потоками.

Важная роль кумулятивного сжатия длинной волны и ветровых волн на мелководье подчеркивается впервые.

В случае речных наводнений также полезен кумулятивно-диссипативный подход [Иванов О.П., Винник М.А., 2009]. Можно выделить два основных типа наводнений: русловые (половодья, паводки, зажорные, заторные, завальные, завально-прорывные) и устьевые (нагонные, цунамигенные).

Динамика реки и русловых наводнений напрямую зависит от трех основных «параметров порядка»: площади водосборного бассейна, возможностей его наполнения (источников питания) и перепада высот между ним и дельтой. Водосборный бассейн выступает как фокусировщик гравитационной энергии воды. Русло - в качестве кумулятивного стока, а дельта - и как постоянный

-I

I I

Рис. 7. Слева - расширенная модель водостока соединяющая водосбор и дельту с I помощью реки. В центре - сценарий затопления территорий (заштрихованная область) в ситуации половодья, паводка, затора, зажора, завала. Справа - сценарии нагонного и цунамигенного наводнений. Направление нагона и движения цунами в зону дельты реки показано стрелкой [Иванов О.П., Винник М.А., 2009].

В случае руслового наводнения в качестве временного промежуточного диссипатора может выступить любой участок русла, где возникают трудности руслового стока (низкие борта русла, перегораживание русла). Репером являются затапливаемые структурные особенности реки такие, как поймы и террасы. Данная модель позволяет обоснованно ранжировать превентивные меры защиты на три основных группы: в зоне водосбора, русловые и устьевые.

Рекомендации по мониторингу цунами. Вблизи эпицентра цунами, сразу же после землетрясения со спутника определяются основные параметры: длина, высота и скорость волн цунами. Вычисляются масса, объем и кинетическая энергия движущейся волны. На основании батиметрии склона и шельфа и параметризации волн оценивается величина сжатия волн и подъема уровня вод у

диссипатор гравитационнои энергии реки и как временный кумулятор от цунамигенных и нагонных наводнений. На основании тесной аналогии водосборного бассейна с водостоком предложена универсальная модель всех типов наводнений, основанная на расширенной модели водостока (рис.7, левый).

ВОДОСБОРНЫЙ БАССЕЙН

СИТУАЦИЯ НАГОННОГО Н ЦУНАМИГЕННОГО НАВОДНЕНИЯ

ДЕЛЬТА РЕКИ /

СИТУАЦИЯ ПОЛОВОДЬЯ, ПАВОДКА, 5АТОРА, ЗАЖОРА

побережья. Расчет кинетической энергии совместно с гипсометрией побережья позволяют оценить возможный уровень «забега» волн на берег и ранжировать уровень опасности. Статистика по сопоставлению исторических данных позволяет ранжировать любой берег по параметру забегания потоков вод. Неожиданный экстремальный случай легко пересчитывается на основе поступивших оперативных данных мониторинга. Это позволит нормировать строительство и правила безопасности в прибрежных зонах.

Рекомендации по мониторингу нагонных наводнений. Для улучшения качества прогноза нагонных наводнений предлагается осуществлять мониторинг параметров длинной волны, скорости движения ТЦ, угла его подхода к берегу, батиметрии шельфовой зоны и гипсометрии прибрежной зоны.

Заключение.

Основой защищаемой диссертации является разработка нового междисциплинарного системного подхода к изучению эволюции сложных систем, включая ОПП. Сложные системы (на примере ОПП) рассматриваются как кумулятивно-диссипативные диалектически взаимосвязанные явления, возникающие и развивающиеся в условиях взаимодействия с другими системами и окружающей средой. Эволюция систем - это последовательность структурно-фазовых переходов, которую можно представить в виде диаграмм или сценариев. Предложен и обоснован универсальный алгоритм, позволяющий в зонах бифуркации исследовать иерархию переходов через параметры адаптивности и устойчивости за счет сравнения с решениями обобщенного уравнения золотой пропорции. Исследованы самоподобие и фрактальность структурно-фазовых переходов и самоуправляемость синтеза новых структур за счет обратной связи и автомодельности.

Следующую часть подхода составляет анализ специфики взаимодействий сложных систем как способа энергообеспечения систем ОПП. Рассмотрена типология взаимодействий. Доказано, что для анализа степени взаимодействий применимы методы фрактального анализа, фликкер-шума и методы моделирования автоволновых процессов. Для анализа ситуаций каскадного

развития взаимодействий использован универсальный алгоритм. Алгоритм опробован и показал возможность перехода к количественной оценке устойчивости грунтов на основе изосейст интенсивности землетрясений.

Третью часть подхода составляют исследования принципов возникновения и развития экстремальных кумулятивных и кумулятивно-диссипативных динамических состояний ОПП. Показано, что основу его составляют макроквантование высокоэнергетических процессов ОПП, подчинение законам кумуляции силовых и потенциальных полей, всеобщность вращев тя, идентичность кумулятивных форм и структур, трансмутация вещества и образование новых степеней свобод.

На основе анализа сценариев эволюции различных сложных систем (усталостное разрушение сплавов, кристаллизация, зоны поддвига литосферных плит, ТЦ, торнадо, Биосферы) в диссертации впервые разработаны концептуальные основы междисциплинарной методологии комплексного анализа ОПП. Методология базируется на совокупности принципов эволюции, взаимодействия, кумуляции и кумулятивной диссипации сложных систем ОПП. Принципы эволюции опираются на открытость систем и всеобщность их взаимодействия, диалектическое единство процессов накопления энергии и диссипации, а также дискретность эволюционного процесса за счет иерархичности фазовых переходов.

Предложенные разработки являются принципиально новым теоретическим достижением и составляют суть нового научного направления в теории ОПП. Показано, что метод структурно-фазового анализа дает возможность управлять эволюцией ОПП в целях превентивной защиты. Практическая значимость нового подхода определяется разработками классификации ОПП и ряда новых качественных моделей ОПП, а также соответствующими к ним рекомендациями в области мониторинга, прогноза и превентивных мероприятий.

Перспективы дальнейшего развития подхода обширны. Это исследования спектра процессов внутри отдельных структурно-фазовых переходов различных ОПП с целью разработки методик управления различными опасными процессами,

детальное сопоставление различных сценариев эволюции, существенные корректировки систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты. Наконец, -это пролог к общей теории эволюции сложных систем.

Публикации по теме диссертации

Монографии

¡.Ушаков СЛ., Галушкин Ю.И., Гапоненко Г.И., Дубинин Е.П., Иванов О.П., Каверзнев K.M., Шимараев В.Н. Гравитационное поле и рельеф дна Мирового океана. -J1.: Недра, 1979. -295 с.

2.Иванов О.П., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы сложных систем. -ТГУ. 2008. -280с.

Учебно-методические разработки и материалы

1.Мазур И.И., Иванов О.П. Опасные Природные Процессы. Учебник. -М.: Экономика. 2004. -702 с.

2.Иванов О.П. и др. Геоэкология: наука о Земле. Уч. пособие. -М.: ФГОУ ВПО МГАВМиБ, 2003. -377 с.

3.Иванов О,П., Шах Махмуд Нек. Историческая геология с основами палеонтологии. Лабораторный практикум. 4.1. Литолого-фациальный анализ. -Кабул, КПИ, 1984.-121 с.

4.Иванов О.П., Рейхов Ю.Н., Тугушов К.В., Шаповалова Г.Н. Методические рекомендации по изучению дисциплины «Опасные природные процессы». Учебно-методическое пособие. -Новогорск, АГЗ МЧС. 2005. Инв№ 2061к/197, 120с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

1.Иванов О.П., Облогина Т.И., Пийп В.Б., Юдасин Л.А. Преобразование временных разрезов в глубинные в средах с линейным законом изменения скорости //Вестник МГУ, серия геологич. 1972., вып. №4 - с.101-103.

2. Иванов О.П., Облогина Т.И., Юдасин Л.А. Особенности временных разрезов в двумерно-неоднородных средах//Изв. АН СССР.ФизикаЗемли.-1976, №2-С.32-43.

3. Иванов О.П., Ушаков С.А., Хаин В.Е., Шабалин Н.В. Концепция семинара по теоретической геодинамике на геологическом факультете МГУ //Вестник МГУ,

серия геологическая. -1976. Вып.4. -С.10-12.

4. Иванов О.П., Хрянина Л.П. Структура метеоритных кратеров и астроблемы // ДАН СССР. -1977. т. 233, №2 - С. 12-18.

5. Ушаков С.А., Галушкин Ю.И., Иванов О.П. Природа складчатости на дне Черного моря в зоне перехода к Крыму и Кавказу //ДАН СССР. 1977. т.233, №5 -С.932-935.

6. Иванов О.П., Винник М.А. Кумулятивно-диссипативное расширение синергетики //Вестник РУДН. Сер. философия. -2008, №2 - С.78-85.

7. Иванов О.П. Специфика циклонических обстановок для авиаполетов //Науч. Вестник МГТУ ГА. Сер. Эксплуатац. воздушн. транспорта. -2008, №134 - С.63-67.

8. Иванов О.П., Винник М.А. Геодинамический анализ наводнений на реках //Изв. РАН, сер.географич. -2009. №3 - С.1-10.

9. Иванов О.П., Иванова B.C. Анализ эволюции сложных систем методом структурно-фазовых переходов //Естеств. и техн. науки. Сер. науки о Земле. Геоинформатика. -2009. №2 (40) - С.229-232.

Основные статьи по теме в других научных изданиях.

1. Иванов О.П., Прозоров Ю.И, Хуманюн Ш.А. Обзор сейсмотектонических исследований территории Афганистана и прилегающих районов. - М.: 1988. -Деп. ВИНИТИ 05.08.88. №6301-В8837.

2. Иванов О.П., Ясаманов H.A. Карта риска природных катастроф территории Советского Союза принципы построения и некоторые результаты /Сб. Катастрофы: Взгляд в прошлое и будущее,- М.: Изана. 1990. -С 14-18.

3. Иванов О.П., Ясаманов H.A. Карта риска природных катастроф территории Советского Союза принципы построения и некоторые результаты /Сб. Катастрофы: Взгляд в прошлое и будущее. -М.: Изана. 1990. -С. 1-4.

4. Ясаманов H.A., Иванов О.П. Неистовая Земля //Земля и Вселенная. 1991, №5 -С.26-32.

5. Иванов О.П., Ясаманов H.A., Скрипко К.А. Природные катастрофы и экология /Сб. Жизнь Земли. 1991.-С.64-75.

6. Иванов О.П., Ясаманов H.A. Природные ритмы и биосфера //Циклы

природных процессов, опасных явлений и экологическое прогнозирование: Труды междунар. науч. конф., 1991. Вып. №1. -С. 89-98.

7. Иванов О.П., Ясаманов H.A. Экстремальные зоны Земли и геофизический риск/Сб. Жизнь Земли. 1992. -С.55-62.

8. Иванов О.П. Особенности эндогенной эволюции Земли //Циклы природных процессов, опасных явлений и экологическое прогнозирование: Труды междунар. науч. конф., 1992. Вып. №2, -С.152-158.

9. Иванов О.П. Эволюция и катастрофы //Циклы природных процессов, опасных явлений и экологическое прогнозирование 6 Труды междунар. науч. конф. 1993. Вып. №3, -С.114-121.

10. Иванов О.П. Воздействие космических тел на биосферу Земли /Сб. Жизнь Земли. Природа и общество /М.: МГУ. 1993. -С.56-65.

11. Иванов О.П., Скрипко К.А. Метеориты и их классификация /Сб.Жизнь Земли. 1993.-С. 174-179.

12. Иванов О.П. Сущность экологических проблем в зонах экологических бедствий /Сб. Экология, безопасность, жизнь. Общероссийские дни защиты от экологической опасности в зонах экологических бедствий: Мат. Всесоюзн. конф. -М.: 1994.-С. 99-102.

13. Иванов О.П. Экология и экологические проблемы //Человек: социальная политика в период осуществления экономических реформ: Мат. межд. Конгресса. -М.: 1994. -С. 209-212.

14. Иванов О.П. Основные принципы эволюции Земли и Биосферы /Сб. Циклы природных процессов, опасных явлений и экологическое прогнозирование. /РАЕН. 1995. Вып.4. -С.93-100.

15. Иванов О.П. Особенности эволюции сложных систем /Сб. ВИНИТИ. /Проблемы риска и безопасности человека, охраны окружающей среды и природных ресурсов. -1996, вып.1. -С.21-26.

16. Иванов О.П. Кольцевые структуры Земли /Сб. Жизнь Земли. Строени. и эволюция литосферы. 1996. -С.241-244.

17. Иванов О.П., Рукин М.Д. Модель образования Логарского гипербазитового

массива Афганистана //Геоинформатика.-1998. №4 - С. 14-22.

18. Иванов О.П. Особенности самоорганизации Земли и Биосферы в процессе эволюции /Сб. Труды семинара Синергетика. -М.: МГУ. 1998. Вып.1. -С.17-36.

19. Иванов О.П. Методология и методы решения глобальных проблем современности /Сб. Тр. семинара Синергетика. -М.: МГУ. 1999. Т. 2. -С. 1-24.

20. Иванов О.П. Синергетика в Музее Землеведения МГУ /Сб. Жизнь Земли- -М:.МГУ, 2000.

21. Иванов О.П, Рукин М.Д. Проблемы экологии с позиций синергетики, экологическое воспитание и просвещение /Тр.конф. Защита окр. среды в нефтегазовом комплексе /М:.РАО «Нефтегазстрой»., -2000.№ 6-7 - С. 10-17.

22. Иванов О.П. Особенности самоорганизации сложных систем в процессе эволюции /Труды семинара Синергетика. -М.: МГУ, 2000. Т.З. -С. 264-272.

23. Иванов О.П. Глобальные экологические проблемы и эволюция /£б. Глобализация: синергетический подход. Мат. междун. Конф. -М.: РАГС 2001. -С.153- 166.

24. Иванов О.П., Малинецкий Г.Г., Рагозин А.Л. Синергетика природных опасностей и рисков /Труды семинара Синергетика.- М.:МГУ.2001,т.4,с. 57-74.

25. Иванов О.П. Законы эволюции Биосферы и экологические следствия /Этика и наука будущего. На пути к духовной цивилизации /Мат.2-й Российской междисциплиной научной конференции. -М.: Дельфис, 2002. -С.96-100.

26. Иванов О.П., Малинецкий Г.Г. Стратегии жизни в условиях планетарного экологического кризиса /Методология исследования глобальных проблем современности. -СПБ ГУ.: 2002, т1, с.97-115.

27. Иванов.О.П. Синергетический анализ эволюции Биосферы и Общества /Сб. Байкальские чтения. -Улан - Уде. 2002. -С.23 -27.

28. Иванов О.П., Иванова В.С. Нелинейная дискретная сейсмология в свете универсальных хаотических динамических систем /Сб. Синергетика. -2003 .Т. 5. -С.128-151.

29. Иванов О.П. Синергетический анализ эволюции Биосферы и Общества

//Академические записки РНАН, -2003, № 2 - С. 30 -42.

30. Иванов О.П. Причины различия эволюции Биосферы и Общества,экологические следствия и методология выхода /Тр. Семинара Синергетика. Естественнонаучные, социальные и гуманитарные аспекты. -М.: МГУ. 2003, Т.7.-С.51-68.

30. Иванов О.П., Рукин М.Д., Спиридонов Э.С. Техногенная деятельность и природные катастрофы /Энергия, экономика, техника, экология /Тр. Междунар. Конф. 2005. -С.27-35.

31. Иванов О.П., Высикайло Ф.И. Взаимодействие природных систем и экстремальные явления /Сб. трудов АГЗ МЧС. 2005 -С.30-57.

32. Иванов О.П. Природа мегацунами и возможности прогноза /Тр. семинара Синергетика /Мат. Конф. Самоорганизация и синергетика. -М:.МГУ. 2006. ;й8 - С.294-307.

33. Высикайло Ф.И., Иванов О.П. Гипотеза о роли кумулятивных свойств диссипативных структур (аттракторов) в экстремальных явлениях природы. Синергетика. Труды семинара. Материалы конференции «Самоорганизация и синергетика». -М.: МГУ, 2006. №8 -С.119-137.

34. Иванов О.П., Высикайло Ф.И. Кумулятивно-диссипативные процессы и структуры (новое в синергетике) /Сб. Синергетика геосистем. 2007. -С.36-42.

35. Иванов О.П., Дубинин Е.П., Свешников A.A. Синергетический анализ зон столкновения литосферных плит/Сб. Синергетика геосистем. 2007. -С.88-93.

36. Иванов О.П. Взаимодействие сложных систем и синергетика кумулятивных видов энергий //Прикладная синергетика в нанотехнологиях: 5-й Междун. Междисц. Симпозиум. -М:. 2008. -С.90-95.

37. Иванова B.C., Шанявский A.A., Иванов О.П. Управление физическими макропроцессами путем управления процессами на наноуровне //Прикладная синергетика в нанотехнологиях: 5-й Междун. Междисц. Симпозиум. -М:. 2008. -С.472-474.

Общее количество научных публикаций автора - около 160 наименований.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж/30 экз. Заказ № 4