Междисциплинарный подход к изучению сложных систем опасных природных процессов
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- 1. Мероприятия по стабилизации оползневых и обвальных процессов на территории Севастопольского, 301.81kb.
- Земельный фонд юга европейской части России под воздействием опасных природных процессов, 864.85kb.
- Программа II всероссийской молодёжной научной конференции, 133.96kb.
- Экзаменационные вопросы вступительных испытаний в магистратуру по направлению «Автоматизация, 54.04kb.
- Элективный курс «Физика природных процессов» (методическое пособие для учителя) Омск, 336.07kb.
- Разработка методики комплексной автоматизации информационного сопровождения процессов, 370.81kb.
- 1. организация процесса исследования систем управления, 247.88kb.
- Социo-предметный подход в управлении персоналом, 68.22kb.
- Лекция Современные классификации опасных природных процессов, 76.46kb.
- Лекция 1 Виды математических моделей сложных систем, 201.52kb.
На правах рукописи
Иванов Олег Петрович
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
Москва 2009
Работа выполнена в Музее Землеведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
^ Научный консультант:
Доктор биологических наук Мелехова О.П.
Официальные оппоненты
Доктор биологических наук, профессор Кавтарадзе Д.Н.
Доктор географических наук, профессор Клиге Р.К.
Доктор биологических наук, профессор Козлов Ю.П.
^ Ведущая организация:
Институт глобального климата и экологии Росгидромета РАН
Защита состоится 28 апреля 2010 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук по адресу: 119991, ГСП – 1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус 12 биофак, ауд.369.
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 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 них 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, 1975; Международная конференция ICAM, 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 кумулятивно-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 базе 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-фазовым 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 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.
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 или 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 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.