Синергетический метод познания почвы

Сегодняшний уровень формализации наук о почвах позволяет находить логические обоснования почвенных гипотез, исходя из действия общих известных закономерностей и отдельных процессов в почвах. К примеру, почвоведы могут дать обоснованный ответ на вопрос «Почему в почве именно такая структура?», и звучать он может примерно так -- «это энергетически выгодно». Создано большое количество 2D- и 3D-моделей разного уровня, но до сих пор не существует модели почвы, позволяющей дать формальный ответ на такие вопросы: «Какая структура / свойства будут у почвы через п-времени при заданных условиях?», «При каких изменениях условий произойдет «фазовый переход» в почве и сформируется устойчивая структура (*„) ?» и т.д.

Идеи применения синергетического метода в почвоведении предваряются развитием учения о почвах В.В. Докучаева, В.И. Вернадского и последователями по созданию формулы почвы (работы Г. Йенни, Т.Г. Гильманова, А. МакБратни и др.), изучение структур и паттернов почвенного покрова (В.М. Фридланд), а также исследованиями по эволюции почвенного покрова В.О. Таргульяна и И.А. Соколова [2] через понятие «информация, записанная в почвах» и две группы «записанных в профиле» почвенных показателей:

— «почва-момент» (динамические показатели почв, например, pH);

— «почва-память» (информация о биосфере, геосфере, ноосфере).

В это самое время синергетика как раз начала оформляться в самостоятельное научное направление: первый труд по синергетике Германа Хаке- на на русском языке был опубликован в 1980 году [3], хотя сами идеи математического описания диссипативных структур, к которым относится почва, зародились еще в 1969 г., когда Г. Хакен читал лекции в Штутгартском университете. Синергетика зародилась как наука, изучающая нелинейные процессы в средах разнообразной природы, находящихся в состоянии, далеком от равновесия, и постепенно превратилась в междисциплинарный математический ответ на вызовы многих отраслей научного знания (физических, химических, биологических, социальных), имеющих дело со сложными открытыми неравновесными системами.

Диссипативные структуры (термин введен в 70-х гг. XX в. нобелевским лауреатом по химии Ильей Пригожиным) -- упорядоченные структуры, формирующиеся в открытых сложных системах. Эти структуры могут временно существовать в системе, благодаря особому взаимодействию потоков энергии. Возникновение таких структур становится возможным при пересечении точки бифуркации, после которой система стремительно перераспределяет свои хаотичные элементы в сторону наблюдаемой упорядоченности.

Точка бифуркации -- это такой критический момент в жизни системы, после которого происходит вероятностный выбор состояния, которое эта система примет: либо сохранится предшествующий тип организации (хаос), либо система скач- кобразно перейдет на новый уровень организации (сформируются новые диссипативные структуры).

Первые работы о применении методов синергетики в почвоведении и приложении математических идеи самоорганизации открытых сложных систем опубликовны в начале XXI в. (Т.А. Архангельская [4], И.А. Соколов, В.О. Таргульян [5], П.В. Красильников и др.). В почвоведение начинает внедряться синергетическая терминология математики -- используются понятия «стабильность», «отклик системы», «фазовый переход», «точка бифуркации», «аттрактор» и так далее, но эти термины не имеют достаточно четкого и формального почвенного выражения, ими невозможно математически оперировать.

В работе 2007 г. [6] авторами впервые ставится гипотеза о возможности описания геометрии внутрипочвенной структуры посредством синергетической модели -- от формы структурных элементов на микро-уровне, до структуры горизонта и профиля почвы. Ставятся и изучаются вопросы: «Как описать математически форму почвенного горизонта или его структуру -- столбчатая или ореховатая?», «Какая формула границы почвенных горизонтов разных почв, как их описать через фракталы?», «Если структура почвы -- ее столбики и шестигранники -- появилась в результате самоорганизации почвенной системы, то как записать формулу ее эволюции во времени? Где точки бифуркации? Что является аттрактором в почве?» и т.д.

Например, в приложении к геометрии итополо- гии почв терминологический аппарат синергетики до сих пор не до конца формализован. Являются ли диссипативными почвенными структурами такие устойчивые элементы почвы как горизонты почвенного профиля, струтура горизонтов, структурные отдельности почвы, ЭПЧ, водный и воздушный режим и так далее? Поскольку почва в отличие от многих других открытых сложных природных систем развивается в глобальном смысле весьма медленно, стоит обосновать временной период, который уместно считать «условно мгновенным переходом» из одного состояния в другое после прохождения системой точки бифуркации. Очевидно, что на каждом уровне организации почвенной системы эти ответы могут значительно различаться.

Синергетика позволяет описать зарождение геометрии структуры почвенных отдельностей и горизонтов в профиле, а топология почв дает возможность рассматривать почвенный покров Земли как единое геометрическое пространство. Синтез научного знания о почвах позволит вернуться к истокам почвенной мысли и сформулировать общую, выраженную строго математически, теорию почвы. Все это напоминает ситуацию в физике, где долгое время существовали разрозненные теории макро- и микромира, которые исследователи пытаются сложить в единую теорию поля («теорию всего»).

И хотя возможность и целесообразность использования в почвоведении математических методов синергетики для цели моделирования геометрии почвенной структуры показана более 10 лет назад, до сих пор так и не появилось целостной синергетической модели почвы. И это не удивительно, поскольку задача создания единой теории почвы по своей сути еще сложнее, чем задача физиков, ведь они моделируют физические объекты так называемой «неживой природы», которые сами по себе, конечно очень сложны, но не содержат в себе дополнительно живых организмов, которые играют решающую роль в почвообразовании и предстают в почвоведении не только как фактор, но и как полноценная часть моделируемого объекта.

Почему именно синергетика и топология на наш взгляд помогут решить задачу объединения всех почвенных моделей, и на какие основные вопросы можно будет ответить с их помощью?

Во-первых, синергетика уже являлась катализатором развития математизации почвоведения, и можно сказать, что благодаря синергетическим идеям и подходам в науке о почве на сегодня существует огромный пласт нелинейных математических моделей почвенных процессов самых разных уровней.

Во-вторых, математический аппарат синергетики открывает возможности создать геометрическо-топологическую модель почвы, которая на наш взгляд и является математическим ответом на вопрос «Что такое почвенное тело и как оно образуется?». Именно геометрический структурный подход является ключом к решению уравнения Докучаева, аналитико-функциональный внешний вид которого по нашему мнению увел многих исследователей в сторону решения частных практических задач и поиска прикладных решений для сельского хозяйства взамен углубленного фундаментального изучения геометрии и топологии почвы как уникального природного тела.

До сих пор нет ответа на вопросы: какая геометрическая форма у почвенного тела? Почему в почве есть именно такие по форме и размеру почвенные горизонты и другие структуры? И вообще, почему в почве есть те или иные горизонты и структуры?

Почва на сегодняшнем этапе развития науки -- это «постклассический черный ящик»: мы можем его открыть; можем увидеть все элементы и можем их даже потрогать; мы понимаем, какие процессы параллельно идут в почве; нам знакомы «жители», ее населяющие. Но мы не имеем математического инструмента, который учитывает открытость, сложность и самоорганизуемость почвенной системы для описания ее наблюдаемой геометрии и топологии.

Концепт синергетической модели почв