Симметрия и асимметрия речных бассейнов. Постановка задачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Симметрия и асимметрия речных бассейнов. Постановка задачи

Александр Н. Павлов

Общие положения

Симметрия - одно из коренных свойств мироздания. Это уравновешенность, сбалансированность, связь систем и миров. Симметрию как идею можно сформулировать следующим образом:

1. Любой объект обладает различными свойствами, в которых он может быть описан (параметризирован).

2. С каждым из параметров или группой параметров может быть совершена какая-то операция: перемещение, отражение, поворот и т.д. и т.п.

3. Если после выбранной операции получают тождественный результат, т.е. объект не отличается от своего первоначального вида, говорят, что в этих параметрах по отношению к данной операции объект симметричен.

Из такого понимания симметрии вытекает два простых следствия:

1. Можно выбрать любые параметры, характеризующие объект, и подбирать для них операции, которые бы дали тождественный результат.

2. Можно задаться операциями и подбирать параметры, в которых также будет получен тождественный результат.

Иными словами, нет вещей не симметричных. Всё симметрично, но в определенных характеристиках при соответствующих преобразованиях.

Однако симметрия реальных объектов лишь похожа на симметрию теоретических образов. Стратегический замысел здесь ясен: принципиальная недостижимость равновесия в природе, равновесия как символа всеобщей смерти, неподвижности и конца. Тактических же приёмов для обеспечения недостижимости смерти, по-видимому, бесчисленно много.

Например, в кристаллах геометрический образ заложен генетически в особенностях строения их кристаллической решетки. Так в галите ионы натрия и хлора организуются по вершинам куба и никак иначе. Что же искажает этот природный замысел? Во-первых, наличие примесей. Во-вторых, сложность движения вещества к центрам кристаллизации и различные эффекты на формирующихся поверхностях кристаллов. И третье, -- дисимметрия.

У разных авторов этот термин записывается по разному: дисимметрия и диссимметрия. Первая форма записи подчёркивает двойственную природу явления -- взаимодействие симметрии среды и объекта. Вторая -- ту дисгармонию, которая этой двойственностью создается.

Если симметрия -- это фундаментальное свойство мира, то дисимметрия может быть квалифицирована как вселенский механизм гарантирующий принципиальную недостижимость симметрии с помощью самой же симметрии. Именно он формирует «почти симметрию».

Базовая интерпретация дисимметрии состоит в следующем:

· Любой объект развивается в определенной среде.

· И объект и среда обладают некоторой первородной симметрией, под которой понимается некий идеальный образец, некий эталон, некое задуманное клише.

· В объекте развиваются только те внешние формы симметрии, которые совпадают с элементами симметрии среды, в конкретном их проявлении -- для потока, вихря, покоя и т.д.

· Формы, не совпадающие с элементами симметрии среды, не развиваются и остаются как невостребованный потенциал.

· При снятии внешних ограничений невостребованные элементы начинают развиваться. В этом и состоит смысл известного выражения Пьера Кюри - дисимметрия творит явления.

Асимметрия - это отсутствие симметрии. Для поверхности Земли такая неуравновешенность проявляется в известных географических гомологиях [Павлов, 2006]:

· Антиподальность материков и океанов.

· Различная «водность» северного и южного полушарий.

· Клиновидная форма материков.

· Попарное соединение материков и их S-образная форма.

· Различная изрезанность океанических побережий.

· Наличие горных параллелей и меридианов.

Эти гомологии позволили разработать систему теоретических кругов и центров, которые некоторым образом формализовали натурные данные.

Я напомнил эти морфологические особенности устройства поверхности Земли, чтобы обратить внимание на геометрический характер параметров и принципы их сравнения на основе планетарной геодезической сети.

Можно ожидать, что глобальна асимметрия планеты как общая структурная закономерность должна проявляться и в устройстве различных морфометрических деталей, в частности в геометрии речных бассейнов.

Симметрия и асимметрия сосуществуют. Их связь отражает фундаментальную двойственность устройства Мира. [Беляев, 2007]. Без их единства (неразделимости и неслиянности [Павлов, 2007, 2009] Мир не мог бы существовать и развиваться.

Статистический закон Фёдорова-Грота

· Веществу с простым химическим составом присуща высокая симметрия его кристаллов.

· С усложнением химического состава кристаллического вещества его симметрия, как правило, становится ниже.

С этим законом согласуются современные взгляды на процессы развития Земли [Павлов, 1987, 2006]. Можно ожидать, что такие тенденции проявляются и в развитии речных бассейнов.

Речной бассейн - это водосборная площадь реки с её притоками. В соответствии с современными представлениями [Мильков, 1984 и др.] русло реки со всеми прилегающими территориями, с которых оно собирает воду (поверхностную и подземную) образует сложную ландшафтную структуру. Она получила название - бассейновая парагенетическая система. Эти три слова отражают идею целостности речного бассейна, проявляющуюся в генетическом единстве составляющих её элементов (через их взаимодействие).

Понятие симметрии эту сущность и составляет. Поэтому, естественный путь изучения симметрии и асимметрии является параметрическим. Разумеется, что среди множества параметров главными будут те, которые традиционно характеризуют речной бассейн, могут быть измерены или вычислены по натурным данным.

Среди них я бы выделил следующие:

Морфометрическая группа

1. Площади (горизонтальная проекция) - F, км².

2. Средние уклоны - I, град.

3. Числа фрактальности (мера самоподобия) - D.

4. Средние высоты - Z, м

5. Амплитуда высот - А_z.

Гидрологическая группа

1. Средний многолетний сток - Q.

2. Средний минимальный сток - Q_min.

3. Средний максимальный сток - Q_max.

4. Соответствующие модули стока - М, М_min, М_max.

5. Соответствующие коэффициенты стока - К, К_min,К_max.

6. Соответствующие многолетние гидрографы - G, G_min, G_max.

В качестве операции сравнения (как меры симметрии) можно использовать отношения этих параметров (С), условно правых к левым, считая за границу раздела русло основной реки. Например, для площадей С_F = F_пр/F_л. Очевидно, значения С=1 означает симметричность речного бассейна по данному параметру. В случае, когда С?1, бассейн по рассматриваемому параметру асимметричен. Мера асимметричности выражается числом. По различным параметрам она будет различной, что позволит обсуждать причины асимметрии.

Внешние проявления симметрии и асимметрии речных бассейнов

У Грегори [1972] сформулирована важная, хотя, на первый взгляд, и очевидная истина:

· Мы верим в то, что видим, и видим то, во что верим.

Общие положения, которые были только что приведены, отражают нашу веру в принципы симметрии и асимметрии. Рассматривая с этой верой географические карты речных бассейнов, мы обращаем внимание на их асимметричное или почти симметричное строение относительно главного русла. Такое внешнее впечатление полезно закрепить на нескольких примерах.

Бассейн реки Кубань

Характеристика водного стока

Бассейн Кубани является частью Азово-Кубанского артезианского бассейн. Представление о его границах, гидрологических особенностях и геологическом строении складывались постепенно на протяжении всей истории изучения Северо-Западного Предкавказья. В.И. Клименко [1987] дополнил и развил их на основании материалов почти 4000 скважин, колодцев и источников, которые к этому времени были изучены многочисленными геологическими организациями, проводившими работы в этом регионе (см. рис. 1 и 2).

Рис. 1. Схема геоморфологических элементов и гидрографической сети Азово-Кубанского артезианского бассейна

1 - высокогорная часть Северо-Западного Кавказа; 2 - предгорья Северо-Западного Кавказа; 3 -Закубанская наклонная равнина; 4 - Прикубанская степная равнина; 5 -Сиавропольская возвышенность; 6 -Таманский полуостров; 7 - Правобережье Дона; 8 - Придонская ранина; 9 - западное окончание Ергеней; 10 - граница артезианского бассейна; 11 - граница геоморфологического района.

Из первого рисунка видно, что с правого борта бассейна р. Кубань (Прикубанской степной равнины) не фиксируется ни одного притока (в рассматриваемом масштабе). В работе П.М. Лурье, В.Д. Панова и Ю.Ю. Ткаченко [2005] этот факт подтверждается, правда с небольшим замечанием: … с правой стороны в Кубань впадает только несколько незначительных притоков, берущих начало с западного склона Ставропольской возвышенности (с.143).

Это обстоятельство позволяет все поверхностные стоковые характеристики правого борта бассейна Кубани оценить как практически нулевые. Соответственно, коэффициент С, принятый нами как мера симметрии, получит нулевые значения (С=0). Таким образом, речь может идти о предельной асимметрии по речному стоку.

Второй рисунок позволяет говорить, что по подземному питанию бассейн Кубани такой резкой асимметрией, навряд ли, обладает.

Рис. 2.Меридиональный гидрогеологический разрез Азово-Кубанского прогиба.

Q - современные и четвертичные отложения; N₂ap + N₂k - апшеронские и кульницкие; N₂km - киммерийские; N₂p - понтические; N₁m - мэотические; N₁s - сарматские; N₁kg + N₁k - караганские и конские; Pg₃mkp - майкопские отложения (обозначение палеогена дано стратиграфической номенклатуре 1964 г.) 1 - пьезометрический уровень; 2 - стратиграфические границы; 3 - суглинок; 4 -галечник; 5 - песок; 6 - глина.

симметрия речной бассейн

Оценка инфильтрационного питания была проведена В.И. Клименко на основании воднобалансовых расчётов по 23 участкам для южных и северных областей (рис.3). Для северной области карта отражает закономерности формирования и распределения глубокого подземного стока для комплекса палеогеновых и неогеновых отложений, которые представлены в пределах Азово-Кубанского артезианского бассейнв.

Интересующая нас Южная область в геологическом отношении является более сложной, поскольку помимо палеоген-неогеновых отложений там выходят на поверхность и отложения более древних пород - мезозойский и даже палеозойский комплексы (см. табл.1).

Таблица 1

Среднее многолетнее атмосферное питание крупных водоносных комплексов Южной области Азово-Кубанского артезианского бассейна

Рис. 3. Схема среднемноголетних величин глубокой инфильтрации в областях питания Азово-Кубанского артезианского бассейна

Границы областей питания водоносных комплексов: 1 - палеозойских; 2 - мезозойских; 3 -палеогеновых; 4 - неогеновых; 5 - границы воднобалансовых участков; 6 - границы расчётной части воднобалансовых участков (римские цифры - номера воднобалансовых участков).

Подземный сток по Азово-Кубанскому артезианскому бассейну оценивался В. И. Клименко для зоны интенсивного водообмена с помощью известного метода генетического расчленения гидрографа рек, разработанному в своё время Б.И. Куделиным. По разным рекам ряды наблюдения имели различную длительность и составляли от 10 до 49 лет. Представление о результатах даёт рис. 4.

Рис. 4. Схема подземного стока (в % от общего речного стока)

1 - 50-40; 2 -40-30; 3 - 30-20; 4 - 20-10; 5 - менее 10.

Не делая попыток каких-либо точных числовых оценок, по рис. 4 все же можно с уверенностью отметить, что подземный сток в сторону Кубани (и по её притокам) с юга существенно преобладает над питанием с севера. Можно принять ориентировочное значение С_{подз. ст.}? 1,0.

Морфометрическая характеристика

Интересная информация по морфометрии бассейна Кубани была найдена мной в работе А.В., Погорелова, Ж.А. Думит и Куркиной Е.В. [2008]. Расчётная площадь бассейна этими авторами оценивается в 58,08 тыс. км². Протяжённость - около 500 км (от Таманского полуострова до горы Эльбрус). Бассейн резко асимметричен. По площадям водосбора это сразу бросается в глаза уже на рис. 5.

Рис.5. Модель поверхности бассейна р. Кубань, представленная аналитической отмывкой рельефа. Линии водоразделов построены по цифровой модели рельефа [Погорелов, Думит, Куркина, 2008].

У авторов рисунка выделяют 38 внутренних поверхностей водосбора. При этом со стороны склонов Кавказа - 32, справа же только 6 (дельта Кубани - №1, Закубанские плавни - №3, Нижняя Кубань - №7, Средняя Кубань - №25, Верхняя Кубань от Устья Мары до устья Бол. Зеленчуку - №32, Верхняя Кубань от слияния Уллукама и Учкулана до водораздела Мары - №33). Здесь уместно обратить внимание, что последние две площади (№№ 32 и 33), хотя и относятся к правобережью, но являются областями с предгорным и горным рельефом.

По площадям водосбора картина симметрии заметно меняется (по данным работы [Погорелов, Думит, Куркина, 2008]):

· Правые площади в сумме составляют - 18,469 тыс. км².

· Левые легко вычисляются как разница между общей площадью бассейна (58,08 тыс. км²) и левыми площадями, что составляет - 39, 671 тыс. км².

· Коэффициент С_F = F_пр/F_л = 0,66.

· Если же исключить региональные участки бассейна в верховьях Кубани, коэффициент С_F уменьшится до 0,36.

Нетрудно увидеть, что асимметрия по площади водосбора всё ещё сохраняется довольно большой, но становится уже не такой резкой, как по речному стоку.

В использованной работе приводятся фрактальные размерности поверхностей водосборов по каждому из з8 районов. И здесь обращает на себя внимание характерный порядок чисел D. Средневзвешенные по площадям их величины составляют:

· D_пр.= 2,03 (без учёта предгорных и горных районов №№ 32-33),

· D_лев.= 2,14.

Коэффициент симметрии по этим параметрам С=D_пр/D_лев=0, 95.

Таким образом, по фрактальным размерностям асимметрия сохраняется, но становится близка к симметричной. Думаю, это свидетельствует о генетической связи правой и левой частей бассейна. Обе они развиваются по одним и тем же законам, определяющим общие правила формирования самоподобия, по крайней мере, в пределах бассейна Кубани.

По данным работы Погорелова и др. [2008] можно ориентировочно оценить коэффициент симметрии и по средним уклонам правого и левого бортов бассейна Кубани. С_I?0,25.

Таким образом, оценка симметрии бассейна Кубани, сделанная на основе использованных нами работ, приводит к довольно интересным результатам (табл.2).

Таблица 2

Значения коэффициента симметрии бассейна реки Кубани по различным параметрам

По различным параметрам, предложенный для оценки симметрии коэффициент С меняется от нуля до единицы. Это обстоятельство даёт основание ожидать, что в любых других бассейнах картина может повторяться:

· В одних параметрах симметрия есть.

· В других характеристиках наблюдается резкая асимметрия.

Таким образом, симметрия и асимметрия речного бассейна сосуществуют. Их взаимосвязь, скорей всего, определяет генетическое единство этой системы и её неустойчивость, определяющую потенциал развития.

При осторожном подходе к такому предварительному выводу, вероятно, правильнее было бы обсуждать не симметрию бассейновой парагенетической системы, а симметрию и асимметрию подобия. Напомним, что такой тип симметрии обсуждался в ранних работа по проблеме симметрии в Природе [Шафрановский,1968, со ссылкой на статью А.В. Шубникова, 1960]. Позже появились книги А.В. Шубникова и В.А. Копцик [1972, 2004].

Применительно к речным бассейна мысль о симметрии подобия высказывалась Б.Н. Лузгиным [статья в Интернете, без указания года]. Правда, он говорит о сечении речных долин как подобных симметричных образах. Но, возвращаясь к этому вопросу, уже пишет о речных бассейнах, рассматривая их симметрию как отражение внутренней структуры, определяемой элементарными водно-эрозионными площадями.

Литература

1. Беляев М.И. Природные механизмы законов сохранения. Симметрия и асимметрия. www. milogiya2007.ru

2. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. - М.:УРСС, 2004. - 256 с.

3. Грегори Р. Разумный глаз. - М.: Мир, 1972. -210 с.

4. Клименко В.И. Оценка ресурсов подземных вод в сложных гидрогеологических условиях. - М.: Наука, 1987. - 149 с.

5. Лузгин Б.Н. Водно-эрозионные ряды Верхнеобского речного бассейна. Интернет.

6. Лурье П., Панов В.Д., Ткаченко Ю.Ю. Река Кубань. Гидрография и режим стока. - СПб.:Гидрометеоиздат., 2005. - 498 с.

7. Мильков Ф.Н. Бассейн реки как парадинамическая ландшафтная система и вопросы природопользования //География и природные ресурсы. 1981. №4. С.11-18.

8. Павлов А.Н. Системная модель подземной гидросферы. - В кн. Подземные воды и эволюция литосферы. Том I. - М.: Наука, 1985 - С. 139-150.

9. Павлов А.Н. Геофизика. Общий курс о природе Земли. - СПБ.: РГГМУ,2006. - 453 с.

10. Павлов А.Н. Неразделимость и неслиянность. - ЭФР. Научные публикации. 2009 - www.russika.ru.

11. Павлова А.Н. Геоинформационное моделирование речного бассейна по данным спутниковой съёмки SRTM (на примере бассейна р. Терешки) // Изв. Саратовского университета. 2009. Т.9. Сер. Науки о Земле, вып.1. С.39-44.

12. Погорелов А.В., Думит Ж.А., Куркина Е.В. О расчёте некоторых морфометрических показателей земной поверхности бассейна р. Кубани по данным спутниковых снимков. // Вестник Северо-Кавказского гос. Университета. 2008. №4 (17), ISSN-1997-9541. C.

13. Шафрановский И.И. Симметрия в Природе. - Ленинград. Недра. Л.О.,1968. -184 с.

14. Шубников А.В, Копцик В.А. Симметрия в науке и искусстве.2-ое изд. М. 1972; Из-во ИКИ, 2004. - 560.

Размещено на Allbest.ru