На основе натурных наблюдений 2009–2011 гг. выполнено литодинамическое зонирование побережья б. Фёдорова с целью определения зон динамической активности прибрежно-морских процессов и их влияния на реализацию ряда градостроительных проектов подготовки г. Владивосток к саммиту АТЭС-2012.

Изучение пляжа было проведено с определением его размеров, крутизны и описания особенностей микрорельефа, был установлен вещественный состав береговых отложений, литологические особенности, фациальная изменчивость. Составлено качественное описание берега с выделением генетических типов и характерных их участков с процессами абразии, денудации и аккумуляции. Между каждым участком выполнена фотосьемка побережья, отражающая современное состояние пляжевых форм рельефа и отложений.

В результате проведённого исследования северной части побережья бухты Фёдорова была определена геоморфологическая структура побережья (геолитокомплексы пляжей и низкой морской террасы), литолого-динамические характеристики пляжа и прилегающей к нему морской террасы (размеры, состав, строение, процессы), выявлены зоны динамической активности прибрежно-морских процессов (абразия, денудация, водная эрозия) (рис. 1).

Рис. 1. Карта-схема района исследования и выделенных зон литодинамической активности

Бухта Федорова по большей части современных процессов и явлений весьма схожа с другими подобными по морфологии в пределах побережья п-ва Муравьева – Амурского со стороны Амурского залива от оконечностей п-ва Шкота (мыс Россета) до Санаторной (мыс Дальний). Естественно, что все бухты несут в себе некоторые различия в зависимости от уровня и направленности освоения. Наибольшим своеобразием здесь отличаются бухты в пределах которых впадают относительно крупные водотоки (бухта Первая и Вторая речка, Бражникова).

В наиболее общем виде можно выделить две составляющих геоморфологических систем прибрежной зоны в пределах как бухты Федорова, так и других подобных на западном побережье п-ова Муравьева-Амурского [1] .

I. Прибрежно-морские образования:

1) пляж;

2) террасы.

II. Территории вне зоны непосредственного морского воздействия, но функционально связанные с нею:

1) склоны (до водораздела);

2) водосборные воронки.

В пределах городской застройки как правило они в естественном плане отсутствуют, но основные потоки стока и смыв возникают там, где дороги заложены по естественным каналам стока. При этом, как правило, существует совпадение.

По нашим данным, основными являются эрозионные процессы, которые ведут к размыву аккумулятивных образований, сформированных прибрежно-морскими процессами: пляжей и низких морских террас.

Судя по тому, что произошло в пределах бухты Федорова, существуют некоторые особенности, связанные со строительством сооружений, направленных на уменьшение антропогенных воздействий, произошло обратное.

Поэтому, можно говорить, что в пределах бухты Федорова антропогенное влияние более весомо в плане ее преобразования, нежели естественное.

Побережье района исследованное нами разделяется на 2 типа с различными зонами лито-динамической активности прибрежно-морских процессов и соответствующей им устойчивости береговых систем [2]:

I – Естественный, Абразионно-денудационный тип побережья – там где преобладают процессы абразии над аккумуляцией. В нем выделены 3 зоны в зависимости от лито-динамической активности прибрежно-морских геоморфологических процессов:

- Динамически наиболее активная зона с весьма неустойчивыми береговыми системами (А). Это зона современного пляжа с процессами постоянной активной абразии, процессами интенсивного волнового воздействия, достигающие поверхность денудационной морской террасы.

- Динамически активная зона с неустойчивыми береговыми системами (В) включает поверхность денудационной морской террасы, между верхней границей зоны А и до границы активного воздействия штормовых заплесков. Процессы размыва со стороны моря данной зоны существенны во время сильных штормов. Следов процессов водно-эрозионного размыва поверхности денудационной морской террасы временными потоками с суши не обнаружено.

- Устойчивые к внешним воздействиям береговые системы (C) (зона включает низкую морскую террасу), которая не попадает под воздействие штормовых заплесков благодаря заметному возвышению над уровнем моря и удалению от зоны прибоя.

II – Искусственный, антропогенизированный тип побережья представляет собой антропогенную насыпную террасовидную территорию, состоящую из железобетонных конструкций и крупного скалистого материала, где процессы абразии берега незначительны вследствие проведенных мероприятий по берегоукреплению. В нем выделены 2 зоны литодинамической активности прибрежно-морских процессов:

- Динамически наиболее активная зона с весьма неустойчивыми береговыми системами (А). Это зона современного пляжа с процессами постоянной активной абразии и поверхность денудационной морской террасы, защищенной искусственной структурой из железобетонных блоков. На переднем крае насыпи наблюдаются процессы интенсивного волнового воздействия.

- Устойчивые к внешним воздействиям береговые системы (С). Эта зона включает участок антропогенной насыпной террасовидной территории, расположенной выше поверхности денудационной морской террасы, расположенной за насыпью из железобетонных блоков (зона А). На данном участке благодаря более высокому геоморфологическому уровню защитному эффекту данной насыпи наблюдается устойчивое состояние береговых систем к воздействиям морских волн.

Существенным различиями по нашим представлениям является то, прибрежно-морскими образования в исследуемой части п-ва Муравьева–Амурского в силу их положения относительно слабо динамичны. Их главная роль заключается в том, что прибрежно-морскими процессами была сформирована зона аккумулятивных отложений разной степени крупности, окатанности и сортированности, с включением значительного количества органики разного происхождения. Последнее в известной мере, также свидетельствует о слабой или умеренной степени литодинамических процессов.

Вторая составляющая геоморфологической системы – «материковая» по своему внутреннему естественному функционированию с первой связана как с базисом денудации и, повторимся, она отчасти является поставщиком материала на нижележащую прибрежную морскую аккумулятивную поверхность в виде разных генераций склонового и флювиального типа материалов.

Если иметь в виду  только бухту Федорова, то в связи с весьма малым расстоянием от водораздела до подошвы (т.е. положением прибрежно-морских образований разного типа, которые прежде всего для этой части большой геоморфологической системы являются базисом. В пределах этой составляющей общей геоморфологической системы, как по процессам, так и по особенностям динамики, в т.ч. литодинамики выделяются склоновые и эрозионные процессы и явления. В принципе они достаточно плотно увязаны с прибрежно-морскими. Для нее важным является пространственные характеристики водосборов и путей миграции как материала, так и носителей его.

Непосредственно для бухты Федорова с ее небольшими размерами и малыми расстояниями от водораздела до береговой полосы существуют определенные особенности характерные только здесь. Они усугубляются еще и плотной городской застройкой. Поскольку в пределах последней естественные водосборы отсутствуют и основные потоки стока и перенос обломочного возникают и долгое время существуют там, где улицы (дороги) заложены по естественным каналам стока. Естественные водосборные воронки здесь практически уже не сохранились. Для некоторых бухтовых образований, где впадают относительно крупные водотоки и имеются достаточно обширные пространства для формирования естественных водосборных воронок при условии их малой освоенности.

Между означенными выше двумя системами естественных процессов и явлений существуют отношения, связанные с антропогенезированными воздействиями. Судя по нашим наблюдениям, они связаны прежде всего антропогенными взаимосвязями. Наиболее выражены последние в результатах, проявляющихся через эрозионные размывы, в некоторых случаях через накопление крупнообломочного или неотсортированного материала. Наиболее существенным является образование эрозионных форм в пределах накопления (аккумулятивного комплекса) прибрежных процессов.

Следует отметить, что в принципиальном виде эти процессы четко связаны с морфометрическими данными прибрежно-морских аккумуляций.

В целом, по нашему мнению наиболее актуальным является анализ процессов и явлений в пределах бухт п-ва Муравьева-Амурского в трёх направлениях [3]:

1. геоморфологическое зонирование и системная оценка участков формирования стока, каналов стока и накопления с последующей переработкой материала;
2. выделение зон литодинамической активности и направленности преобразования литопотоков;
3. оценка антропогенной составляющей в этих процессах.

Проведенный анализ типовых прибрежных зон полуострова Муравьева-Амурского позволяют сделать следующие выводы:
1. Прибрежные территории п-ова Муравьева-Амурского представляют области геодинамического воздействия глубинных разломных зон: западного и восточного Муравьевского, а также Босфор Восточного. Они находятся в переходных зонах между основными высокоранговыми тектонопарами «поднятие (горст Муравьева-Амурского) – опускание (грабены омывающих заливов и пролива Босфор Восточный)». При этом морфоструктуры прибрежных зон наследуют не просто смежные структурно-геоморфологические элементы высокоранговых морфоструктур, но особенно тех, которые оставались длительное время тектонически активными, а их движения – более интенсивными.
2. Внутренняя структура прибрежных территорий образуется системой останцов разделенных тектоническими понижениями. Последние почти полностью покрыты преимущественно линейными корами выветривания, которые могут свидетельствовать о рассеянном типе растяжений. Интенсивность раздробленности пород в пределах системы останцов значительно слабее, чем в смежных понижениях. Именно такие зоны повышенной раздробленности подвергаются наиболее интенсивной денудации с аномально высокими скоростями выноса материала.
3. Прибрежные зоны п-ова Муравьева-Амурского в основном испытывают тектоническое погружение, о чем свидетельствует, в частности, отсутствие высоких морских террас и активное разрастание смежных грабенообразных впадин. В осевых частях останцовых блоков возможны слабые компенсирующие восходящие движения.
4. На основании совместного анализа структурно-геоморфологических и антропогенных проявлений на морфоструктурной основе выделены локальные участки аномального развития обвалов, оползней и других опасных геоморфологических процессов, а также участки возможного переувлажнения грунтов. Их размещение и характер проявлений контролируются, прежде всего, морфотектоническими факторами, а техногенные их усиливают.

Между пространственными и временными масштабами характеристик геообъектов в различных пространственно-временных интервалах наблюдаются связи. Рассмотрим это для Земли в целом. Как выясняется, такие связи далеко не везде очевидны, а иногда неоднозначны. Заметим, что вследствие ограниченности размеров Земли, пространственные масштабы изменчивости переменных, описывающих состояние геообъектов, имеют ограничение сверху, тогда как для временных масштабов такое ограничение отсутствует.

Все нестационарные процессы на Земле можно разделить на два вида, в которых переменные, описывающих состояние геообъектов: 1) не зависят или слабо зависят от пространственных координат, 2) зависят от пространственных координат. Соответственно объект может рассматриваться как система с сосредоточенными или распределенными параметрами. Если изучаются колебательные явления, то первые рассматриваются в теории колебаний, а вторые – в теории волн.

Критерием перехода от волнового движения к колебательному может служить следующее условие [1, 2]: если характерные размеры системы L<cT  (c – скорость распространения возмущения, T – время заметного изменения возмущения), то о процессе можно говорить как о колебательном в системе с сосредоточенными параметрами. В этом случае математическая модель обычно представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений по времени. Формально здесь пространственная изменчивость отсутствует. Но может сохраняться связь между характерным временным масштабом и пространственным фактором – например, параметром, характеризующим размеры колеблющегося объекта. Хорошо известно, что период колебаний маятника (система, которая стандартно рассматривается как система с сосредоточенными параметрами) зависит от его длины. Период колебаний пульсирующего ледника или периоды колебаний гейзеров или вулканов зависят от размеров этих объектов, увеличиваясь с их возрастанием. В первом приближении эти системы рассматривались как системы с сосредоточенными параметрами [3].

В случае L>cT процесс нужно считать волновым, систему распределенной, а модель описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных.

Но имеются еще распределенные объекты, в которых возникают стационарные неоднородные состояния (обладающие характерными пространственными масштабами), например, самоорганизующиеся структуры Тьюринга, которые имеют одно характерное время – время установления стационарного состояния. Примером таких структур являются болотные системы [4, 5].

Пространственные масштабы (L_М, L_З). Выделим пространственные масштабы процессов, имеющих размеры меньшие, чем предельный характерный размер Земли L_З, но большие, чем размеры географического минимум-ареала L_M. Предельный максимальный размер L_З можно оценить величиной L_З=2πR, где R – радиус Земли. Хорошо известно, что связь между пространственным и временным масштабами имеется в волновых процессах, находящихся в пределах указанных масштабов.

Рассмотрим, инициированное в сплошной среде с произвольными свойствами, возмущение величины ΔU, характеризующей состояние среды. Это возмущение за время Δt в некотором направлении пройдет расстояние Δs, причем эти величины связаны отношением Δs/Δt=с(η, U), где с – скорость распространения возмущения в данной среде, которая зависит от набора параметров η , характеризующих свойства среды (коэффициент теплопроводности, вязкость, упругость и т.п.) и от переменной величины возмущения U. В зависимости от особенностей рассматриваемой системы в качестве такой переменной может быть, например, температура, давление, плотность среды, численность особей на единицу площади и др. Например, скорость распространения различных волн (в атмосфере, гидросфере, литосфере) существенно зависит от средних значений давления, температуры, плотности среды – эти величины можно рассматривать как параметры среды. Если же скорость начинает зависеть от амплитуды волны, т.е. фактически от величины U, то это нелинейный процесс.

В качестве простого примера приведем формулу Мериана t_n=λ _n/(gH)^-2 определяющую период собственных колебаний воды в прямоугольном сосуде-озере – стоячих волн, называемых сейшами [6], где c= (gH)^-2 – скорость распространения волн, λ _n=2L/n – длина волны, зависящая от номера гармоники n. Параметрами являются: L – горизонтальный размер озера, H – средняя глубина озера и g – ускорение свободного падения. При описании сейш нужно рассматривать гидродинамическую систему с распределенными параметрами. Но обычно используется описание в сосредоточенных параметрах, так как наиболее значимые амплитуды колебаний наблюдаются при n=1, 2. При больших отклонениях (возмущениях) уровня воды h(t) от среднего значения H, вместо формулы Мериана требуются более сложные формулы, возникающие при нелинейном описании сейш.

При распространении гармонических волн между временным  τ и пространственным λ масштабами существует известная связь λ =сτ , где τ,  λ и с –- период, длина и фазовая скорость распространения волны. В среде с дисперсией ω =f(k), где  ω – циклическая частота колебаний, k – волновое число. Если учесть, что τ=2π/ ω  и λ =2π/k, то очевидно, что из дисперсионного отношения следует связь между временным  τ и пространственным  λ масштабами

τ=2π/f(2π/λ).

Эта связь разная для различных сред и видов волн, например, волн на поверхности воды, цунами, волн Россби, акустических (в воде, воздухе, сейсмических в литосфере) и других.

Каждый объект обладает своим спектром естественной пространственной и временной изменчивости характеристик, причем в этот спектр, видимо, в основном непрерывный и неравномерный. Но имеются случаи, когда на некоторых территориях может возникать линейчатый дискретный спектр. Примером являются области географического пространства, содержащие регулярные, приближающиеся к периодическим структуры [7], в частности, фестончатые берега, где пространственная периодичность определяется внешним волновым возмущением, а также особенностями пляжа. Заметим, что связь между временным и пространственным масштабами здесь не очень ясна. Очевидно, что она нелинейная, но до сих пор теория этого явления окончательно не построена.

В любом географическом объекте может содержаться множество характерных пространственных масштабов: два предельных (максимальный и минимальный), и какое-то количество доминирующих(их иногда называют преимущественными, избранными, выделенными или преобладающими). Доминирующие масштабы пространственных неоднородностей, отражают некоторое количество внутренних пространственных неоднородностей объектов среды, которые выделяются вследствие наличия часто встречающихся близких по размерам неоднородностей такого масштаба в геообъектах. Кроме того, на некоторых территориях выделяются характерные масштабы, отражающие размеры погранслоев, фронтальных и переходных зон. Всем этим характерным пространственным масштабам можно поставить в соответствие определенные временные масштабы, вводя характерное время перемещения внутри этих объектов (слоев и зон и др.).

В океане, например, выделяют минимальный пространственный (0,1–1 см) и временной (1-10 с) масштабы [8]. Если рассматривается океан в целом, то в его изменчивости выделяют три основных преобладающих пространственных масштаба [8, 9]. С пространственными масштабами соотносятся соответствующие временные масштабы этих явлений. Максимумы в спектре приходятся на: ветровые волны (10 м и соответственно 10 с); инерционные колебания, внутренние волны (1000 м, 10² с); крупные океанские круговороты воды (10⁶ м, 10⁶-10⁷ с). Интерпретируются эти максимумы как основные пространственно-временные масштабы, на которых осуществляется генерация или приток энергии в океан. Выделяются в океане и другие менее значимые связанные между собой пространственно-временные масштабы неоднородностей.

Другой пример. В литосфере выявлена дискретность в размерах составляющих ее блоков [10, 11]. Установлено, что каждый блок, делится на более мелкие блоки, причем отношение их размеров составляет примерно 3-4. Такое деление неизбежно отражается в преобладающих пространственных масштабах неоднородностей географических объектов. Характерные времена вероятно связаны таким же отношением, но об их связях с пространственными масштабами сказать что-либо трудно. Примерно такое же отношение пространственных масштабов обнаружено в работах В.Б. Виноградова и Ю.Г. Пузаченко [12].

Пространственные масштабы L»L_З. Выделим теперь волны, длина которых сравнима с размерами Земли. Эти волны связаны с внешними космическими воздействиями. Например, приливные волны (суточные и полусуточные приливы) имеют максимальные характерные размеры, сопоставимые с горизонтальными предельными размерами поверхности Земли. Примем, что основная приливная волна (полусуточная) на Земле имеет скорость распространения порядка c=πR/τ₁, где  τ ₁ – время одного приливного цикла. Положив R=6400 км, t₁=44700 с, получим c≈0,45 км/с. Допустим, что L=1000 км. Приравняв L=cT=0,45T км, можно оценить граничное заметное значение T≈0,62 час, составляющее от периода приливов примерно 5%. Поэтому согласно приведенным выше условиям разграничения колебаний и волн, к колебаниям можно отнести приливные движения в океанических объектах с размерами L<1000 км (этим значениям удовлетворяют заливы и часть морей). Такие объекты можно отнести к сосредоточенным системам. Но следует оговориться, что такие водоемы по отношению к приливам в ряде исследований и практике судовождения рассматриваются как пространственно распределенные системы.

Максимальный пространственный масштаб, охватывающий всю Землю, имеют пространственно-временные изменения температуры и других термодинамических характеристик, связанных с суточным вращением Земли. Такой же пространственный масштаб имеют и годовые изменения термодинамических характеристик, связанные с обращением Земли вокруг Солнца. Все эти пространственно-временные возмущения следует рассматривать как вынужденные, т.е. вызванные на Земле внешними по отношению к ней воздействиями. Причем здесь, несмотря на столь большое отношение характерных времен (год/сутки=365), пространственные масштабы одинаковые.

Большими пространственными масштабами обладают конвективные движения в атмосфере, океане и мантии Земли. На поверхности океана наблюдаются круговороты воды, имеющие характерные пространственные масштабы тысячи и более километров. Например, северотихоокеанский поверхностный антициклонический круговорот воды имеет характерный размер порядка 10000 км. Характерное время распространения температурного возмущения в таком круговороте имеет порядок 5-6 лет. Здесь возникают типичные конвективные волны (транспортировка возмущений водным потоком).

Если учесть всю толщу океана, то такие возмущения могут распространяться на еще большие расстояния, а по времени достигать,возможно, сотни и более лет. Здесь также имеется связь между пространственным и временным масштабами, а именно Δ s=uΔt, где скорость движения воды u совпадает или по порядку величины не отличается от скорости c распространения возмущения температуры (величины c и u не обязательно должны совпадать [13]).

Конвективные возмущения распространяются и в мантии Земли. По крайней мере, в геотектонике существуют модели, в которых изучаются конвективные движения. Скорости таких движений порядка 1-10 см/год, а характерные времена при перемещении на расстояние половины дна океана составляет величину порядка 10-100 млн. лет. Но такое длительное время температурное возмущение, перемещаясь в пространстве со скоростью u, вряд ли может столь долго просуществовать (хотя мы об этом пока мало знаем), так как оно быстрее исчезнет вследствие теплопроводности внутри и теплообмена с окружающей средой.

Другие процессы

Когда рассматриваются процессы, имеющие длительные характерные времена, то во многих случаях волновой подход не применяется (выполняется условие L<cT). Если рассматривать процессы только на Земле, то, как мы уже отмечали, характерные пространственные масштабы не могут превысить значений, определяемых размерами Земли, тогда как временные масштабы неограниченны. И здесь в силу вступают совершенно другие связи между пространственным и временным масштабами, определяемые конкретными механизмами возбуждения колебательных процессов на Земле. Это относится к глобальным климатическим, геологическим процессам, связанным, прежде всего, с космофизическими факторами, а также с внутриземными процессами. Это очень длительные процессы, имеющие максимальный характерный пространственный масштаб L_З. Примерами являются конвективные циклы, радиогенный разогрев Земли, некоторые тектонические процессы. В зависимости от уровня решаемой проблемы здесь может использоваться моделирование в сосредоточенных параметрах, хотя предпочтительны модели с распределенными параметрами. Длительные процессы космического происхождения, по крайней мере, в первом приближении можно рассматривать в рамках моделей в сосредоточенных параметрах. Таким образом, рассматривались многие длительные климатические процессы (десятки и сотни тысяч лет). Но оказывается, такие процессы ярче отражены не в горизонтальных, а в вертикальных пространственных масштабах и соответствующих связях.

Ряд процессов и явлений, связанных в основном с вертикальным распределением характеристик, задается некоторыми изменениями во времени внешних факторов. Наиболее широко распространенный и важнейший, особенно с точки зрения изучения истории развития Земли, это вынужденный процесс, связанный с отложениями вещества на поверхности Земли, на дне океанов и морей. Осадки возникают вследствие нескольких факторов. Это вещество, поступающее из космоса, вещество, переносимое из одних районов Земли в другие, осаждение на дно морей и океанов отмерших организмов и др. Климатические и космофизические (в том числе суточные и годовые) изменения во времени отражаются в этих осадках. В результате этого в океанах возникают распределенные по вертикали организованные структуры типа флишей и вообще, все осадочные геологические структуры (это имеет еще и археологический аспект) связаны с отложениями вещества на поверхности Земли. Характерные времена их организации от суток до тысячелетий, миллионов и более лет, а пространственные масштабы от долей сантиметров до десятков, сотен и более метров. Очевидно, что это не волны, о которых говорилось выше. Это процессы другого характера. Вещество выпадает на поверхность Земли либо на дно морей и океанов с некоторой переменной скоростью и с переменным составом осадков. В результате в литосфере в верхнем слое суши или дна океана возникают вертикально распределенные структуры – слои, имеющие свои пространственные масштабы, которые зависят от временных колебаний, состава и плотности поступающего осадочного материала, т.е. определяются особенностями внешнего воздействия. Здесь связь временного и пространственного масштабов, например, во флишах кажется очевидной. Но на самом деле это не совсем так.

Казалось бы, конкретная ритмически построенная толща осадков на дне океана может быть хорошо связана с годовой или другой регулярной изменчивостью осадков. Тогда длительность пространственного ритма L можно связать с длительностью временного цикла τ: L=f(τ). Но к этому процессу параллельно могут подключаться еще и другие. Например, хорошо известно, что ритмически построенные осадочные толщи могут возникать еще и за счет автоколебательных процессов [3, 14, 15]. Образующиеся вследствие этого регулярные структуры могут быть связаны другим отношением L_А=f_А(τ _А). Ритмические толщи могут быть весьма похожими при различных характерных временах τ .  Для одного процесса эту связь можно найти. Но можно найти и другие процессы с другими характерными временами, но однотипной пространственной ритмикой. И поэтому связь между L и  τ может оказаться неоднозначной.

Заключение

Таким образом, в пределах пространственных масштабов географической оболочки, имеющих ограничение как сверху, так и снизу, связи между пространственными и временными масштабами существуют в разнообразных волновых движениях, вплоть до суточного и полусуточного приливного цикла и циклов, связанных с суточным вращением Земли и годовым обращением Земли вокруг Солнца. Такие движения следует рассматривать в рамках систем с распределенными параметрами. Помимо этого на Земле существуют системы с характерными климатическими и геологическими временами, которые могут рассматриваться как системы с сосредоточенными параметрами, но иногда требуется подход с распределенными параметрами. Кроме того, существуют другие процессы, в которых возникает вертикальная пространственная неоднородность, в которой записана климатическая и геологическая история Земли.

Подчеркнем, что эмпирическое и теоретическое исследование характерных пространственных и временных масштабов неоднородностей, соотношений и связей между ними является важной проблемой, и в настоящее время существует много открытых вопросов требующих изучения. В их числе:

1) Выявление характерных пространственных и временных масштабов и причин их возникновения.

2) Исследование взаимосвязей между пространственными и временными характеристиками. Изучение обмена веществом и энергией между масштабами.

3) Изучение особенностей и закономерностей распределения связей в геопространстве. Прогноз их изменений.

Согласно «Стратегии социально-экономического развития Приморского края до 2025 года» (утверждена Законом Приморского края от 20.10.2008 № 324-КЗ) одним из приоритетных направлений развития Приморского края является развитие туристического кластера. Стратегическими документами Приморского края Артемовский городской округ отнесен к центру туристско-рекреационного обслуживания международного значения. Стратегиями развития Приморского края и Артемовского городского округа предусмотрены мероприятия по организации рекреационных зон на основе лесов округа с частичным включением лесных территорий в спортивно-развлекательные объекты международного и краевого значения [3,4].

С геоморфологической  точки зрения есть благоприятные и неблагоприятные условия развития рекреации. К благоприятным относятся:

1) Наличие уникальных природных ресурсов, главным из которых является морское побережье с пляжами и живописными скалистыми берегами (Артемовское взморье).

2) Пространственные и геоэкологические возможности строительства и последующего развития различных (и многообразных) рекреационных объектов.

3) Существование относительно подходящей туристской инфраструктуры (гостиницы, базы отдыха различной ведомственной принадлежности) и строящегося игорного комплекса «Приморье»

4) Транспортная доступность.

Неблагоприятные и сдерживающие факторы развития рекреации:

1) Климатические условия (температурный режим, ливни, тайфуны, продолжительное количество пасмурных дней) и опасные экзогенные геологические процессы (ЭГП).

2) Ограниченные территориальные пространства песчано-галечных пляжей.

3) Высокая сейсмотектоническая опасность, крутые и изрезанные формы рельефа и т.д.

Объектом исследования является рельеф Артемовского взморья (Рис. 1), предметом – рекреационная функция прибрежного рельефа. Цель настоящего исследования заключается в изучении геоморфологических (геолого-геоморфлогических) условий, определяющих размещение и развитие инфраструктуры туризма и отдыха.

Рис. 1. Космоснимок района Артемовского взморья [Google Earth, 2012].

Задачи: выделить районы концентрации туристических объектов на взморье; установить связь рекреационных объектов с береговым рельефом (благоприятные и лимитирующие факторы), качественно оценить природно-техногенные риски освоения рекреационных ресурсов прибрежной зоны. Методы исследований: натурные наблюдения, сравнительно-географический, морфометрический.

Исходя из того, что рекреация – это, прежде всего территория, предполагаемая как зона отдыха, мы нашли необходимым подразделить ее на три типа, различающихся по их характеру и, соответственно, требующих как разных условий, определяемых естественными возможностями ландшафта, так и некоторыми необходимыми его преобразованиями:

1. Активный тип рекреаций, связанный с возможным его использованием преимущественно для различных спортивных мероприятий;

2. Пассивный. Этот тип предполагает в максимуме необходимость комфортных природных условий для отдыха, прежде всего геоморфологических и меньшей степени других.

3. Научно-познавательный.

Заметим, однако, что это подразделение довольно условно и практически не разработано.

Работа выполнена группой авторов географов-геоморфологов и поэтому несет в себе определенный терминологический акцент вполне понятный специалистам, работающим в науке о земле, но вызывающих затруднения у других.

Этих терминов, использованных в работе, в целом, немного. Они относятся к формам рельефа, некоторым процессам.

К формам рельефа, упомянутые в статье относятся террасы – ступенчатые образования, состоящие из уступа разной высоты и собственно поверхности террасы. Генетически они могут быть морскими, т.е. созданными волно-прибойной деятельностью моря или флювиальными, сформированными в результате деятельности речных потоков. Морфологически они схожи.

Понятие морского пляжа, по-видимому, не требует специального разъяснения, хотя у специалистов есть свои тонкости в подходах к описанию и разъяснению их разных видов.

К основным рельефообразующим процессам следует отнести понятие денудации, которое имеет широкое трактование у специалистов, но в наиболее упрощенном виде означает снос, обнажение. Имеется в виду отложения на земной поверхности. В этом же понимании можно рассматривать как частный случай денудации – абразию. Здесь абразия-результат разрушающей деятельности морской воды, ее волно-прибойного воздействия. Если вернуться чуть назад к формам, то упомянутые «кекуры»- результат его воздействия.

Другой упоминаемый в статье термин «эрозия» в принципе очень близок к вышеописанному, но относится к флювиальной – речной деятельности. Результатом эрозии является формирование оврагов и более мелких форм: рытвин, промоин и т.п.

В большинстве остальных случаев мы попытались объяснить наши понятия или хот бы изложить в общепринятом языке.

Авторским коллективом была проведена оценка влияния прибрежного рельефа на размещение и развитие рекреационных объектов индустрии туризма на побережье Артемовского взморья.

Артемовское взморье расположено в кутовой части Уссурийского залива в прибрежной зоне полуострова Муравьева-Амурского. В северной части от устья р. Артемовки до мыса Геллера выделяется довольно крупный залив Муравьиный (бухта Муравьиная), преимущественно мелководный, большей частью с аккумулятивными берегами и лишь в пределах собственно Артемовского взморья выделены отдельные участки абразионных берегов.

К югу от мыса Геллера протягивается цепочке небольших бухт; Пионерская (Амбабоза), Отдыха (Тавайза), Художников (Светлая), Юность (Известкового завода), Пьяных (база отдыха «Охотное подворье»), Водопадная, Якорная (Маньчжур), заканчивающихся у мыса Вилкова. Бухты разной степени открытости с абразионными и абразионно-ингрессионными берегами. В отдельных бухтах выделяются относительно узкие пляжи.

Собственно прибрежную зону Артемовского взморья можно ограничить водоразделом с р. Богатой. Она дренируется преимущественно малыми водотоками. Наиболее крупные из них Сухая речка, Тавайза. Остальные водотоки преимущественно 2-3 порядков. Наиболее высокая вершина – гора Кругозор с абс отм. 363,6 м.

В геоморфологическом плане в наиболее общем виде выделено две составляющих геоморфологических систем прибрежной зоны (береговые и слоновые).

I. Собственно береговые (прибрежно-морские) образования:

Аккумулятивные участки побережья. Особую ценность представляют ровные пляжи, сложенные мелкими фракциями песка. Базы отдыха, как правило, расположены на высоких морских террасах вне зоны волнового воздействия, достаточно широкие и протяженные участки лагунной и прибрежно-морской аккумуляции весьма благоприятны для пляжной рекреации. Для таких участков характерны большая емкость пляжей, преобладают песчаные отложения, развита дорожная сеть (бухты Большая и Малая Тавайза).

Данный геоморфологический объект является наиболее показательным как пассивный тип рекреации, используемый для пляжного отдыха.

Следует заметить, что наибольшие затраты здесь необходимы для поддержания и сохранения природных условий данного ландшафта и более конкретно – геоморфологического ландшафта.

Морские террасы. Морские террасы, как стабильные выровненные участки, образовавшиеся при более высоком уровне моря, чем современный. Такие участки защищены от волновых воздействий во время тайфунов, цунами. Широкое развитие получили формы рекреации в частных коттеджах, которые расположены в лесной зоне выше береговой зоны в пределах морских террас и частью водосборных бассейнов водотоков, впадающих в бухты (бухта Художников, бухта возле лагеря отдыха «Юность», бухта около базы «Охотное подворье» (южнее бухты возле лагеря «Юность»), комплекс Маяк (мыс Вилкова – бухта Якорная (Маньчжур)).

Широкие морские террасы благоприятны для размещения палаточных городков. Южные мысы таких бухт, как Якорная (Маньчжур), Тавайза (Отдыха) примечательны тем, что за ними возникают зоны волновой и ветровой тени, что благоприятно для рекреации. Здесь имеются возможности, как для активного, так и пассивного отдыха.

Своеобразным антиподом являются различного типа абразионные образования, как в морфологическом, так и в динамическом плане. Здесь следует выделить: абразионные и абразионно-денудационные участки побережья

Абразионные участки побережья. Наличие на входных мысах кекуров (останцов) и клифов живописной формы создает благоприятные условия для проведения любительской и профессиональной фото- и видео-фотосъемки, а также скалолазания, дайвинга и т.д.

Следует отметить, что последние требуют дополнительных исследований с оценкой их безопасности (мысы Вилкова, Геллера, Черепахи).

Абразионно-денудационные участки. На участках узких прислоненных пляжей строения расположены выше над клифами. Здесь приходится создавать лестницы, спускающиеся к морю. Спуск к морю возможен также по долинам водотоков, впадающих в море. Благодаря наличию высоких клифов создаются видовые площадки, обычно с беседками и домиками, с видом на акваторию (Большая и Малая Тавайза).

В целом, в рекреационном плане эти образования, как правило, представляют весьма значительный интерес для посетителей в эстетическом и других планах, но требует особого внимания в отношении техники безопасности. В отношении освоения они, как правило, или сложны или бесполезны.

Для прибрежной части Артемовского взморья особенное отношение имеют эрозионные процессы, которые являются потенциально опасными особенно во время сильных дождей, т.к. могут размывать участки пляжей и морских террас, а также создавать конуса выноса, перекрывающие террасы несортированным обломочным материалом. Все они привязаны к устьевым частям разного размера флювиальных образований: от низкопорядковых речных систем до небольших оврагов и других эрозионных форм.

На берегу этих бухт необходимы гидротехнические способы защиты от эрозии, например, установка водосточных лотков и гофрированных сточных труб.

II. Склоновые образования.

Для прибрежных территорий в пределах развития горного рельефа склоны являются преобладающим элементом в пространственном отношении. В целях оценки склонов в рекреационных целях мы воспользовались разработками динамической геоморфологии С.С. Воскресенского [5], а при оценках пространственных связей и картографировании методикой геоморфологического зонирования [6].

В пределах прибрежной зоны буты Муравьиной в зависимости от возможности и характера использования в рекреационных целях можно выделить 4 комплекса склоновых образований:

1) Пологие до 2° склоны транзита и аккумуляции. Они имеют весьма небольшое, локальное распространение и парагенетически связаны с  береговыми или долинными аккумулятивными формами (лагунными, пойменными) и в целом несут ту же смысловую нагрузку в рекреационном плане.

2) Слабонаклоненые (2-12°) склоны, преимущественно транзита, и частью аккумуляции, с генетическими широким спектром видов склонового смещения (от делювиального до дефлюкционного). Поверхности этих склонов наиболее пригодны для строительства многих видов рекреационных сооружений и в этом плане являются весьма перспективными для развития рекреаций.

3)  К этому комплексу отнесены склоны массового смещения (дефлюкционные, конжелефлюкционные) крутизной 13-32°. В пределах этого склонового комплекса осуществляется  преимущественно снос и частью транзит материала. Большие уклоны поверхности требуют значительных затрат при их освоении. В рекреационном плане, помимо их затратности, следует отметить и специфичность рекреационного использования.

4) Гравитационные склоны с крутизной >33° имеют определенные познавательный смысл в силу их частой обнаженности, открытости для наблюдения слагающих пород. Возможно, что они в некоторых случаях могут быть использованы для экстремальных видов спорта. Этот склоновый комплекс имеет ограниченное распространение.

В целом же комплекс прибрежных склоновых образований имеет довольно широкий спектр воздействий на возможности размещения и развития рекреации. В настоящей статье региона мы не затрагиваем возможность развития зимних видов спорта, хотя в дальнейшем на него следует обратить внимание, т.е. подобные объекты, например, на комплексе бух. Лазурная пользуется популярностью.

В качестве дополнения к вышесказанному, предлагается обратить внимание на специфичный, но перспективный и набирающий обороты в мировой практике т.н. «научный и, в частности, геолого-геоморфологический вид туризма». Указанное направление научно-познавательного типа туризма многогранно, но мы кратко остановимся на двух (наиболее актуальных в настоящее время) аспектах: 1 – характеристике соответствующих основных достопримечательностей в области рекреации; 2 – геоэкологических вопросах защиты природных и техногенных рекреационных ресурсов от опасных геолого-геоморфологических процессов.

Территория Артемовского округа достаточно уникальна концентрацией разновозрастных (девон-кайнозой) магматических (интрузивных и вулканических), метаморфических (в том числе динамометаморфических) и осадочных (морских и континентальных) образований. Например, в бухте Муравьиная в береговых обрывах наблюдаются выходы пермских (255-245 млн. лет) вулканогенных и осадочных пород, сформировавшихся главным образом в морских условиях [7,8]. В обнажениях встречаются шаровые лавы диаметром до 1 м с корками закаливания и прослои туфов с отпечатками раковин, мшанок, морских лилий и др. Таким образом, туристы виртуально побывают на дне пермского моря, находясь на берегу современного Уссурийского залива. При этом особенностью исследуемой территории является ее приграничное (переходное) положение между древней континентальной равниной и морской окраиной с признаками активной вулканической и тектонической деятельности (средний и поздний девон-поздняя пермь) наподобие современной Курильской островной дуги [9, 10].

Имеются устные сообщения д.г.-м.н. Б.В. Преображенского и др. о вероятности наличия палеовулкана на мысе Черепаха. Мы не располагаем геологическими данными, подтверждающими это. Однако, наши полевые наблюдения, а также целенаправленное структурно-геоморфологическое дешифрирование космоснимков и топокарт, морфометрические и морфографические построения позволяют предварительно наметить  кальдерообразную часть палеовулкана в районе современного озера Черепаха, а окружающие его останцовые возвышенности (69.2; 91,8; 120 м и др.), разделенные радиальными понижениями (долины ручьев рек, седловины и линейные формы заболоченных участков и т.д.) – считать фрагментами радиально-концентрических разломов, как « залеченных» экструзиями и затем отпрепарированных, так и «зияющих» освоенных эрозионными проявлениями ЭГП.

Авторам предоставляется целесообразным и возможным создание в рекреационных целях увлекательной 3D анимационной видео-продукции по наглядной палеогеографической реконструкции, сценарий которой представляется следующим. В ранней перми в результате подводных вулканических извержений и сопровождающих их землетрясений, по крутым склонам спускались потоки лавы и сыпался вулканический пепел. При этом  сползали и срывались глыбы разной величины, в том числе органогенных известняков и других пород разных фациальных принадлежностей морских образований. В результате образовались сначала пологие простые складчатые формы (крупные моноклинали, син – и антиформы), затем сложные (локальные наклонные, ящикообразные опрокинутые складки и будины и т.д.) в полужидких (пластичных) осадочных отложениях с оползневыми, обвальными и селеобразными формами. Все это перемешивалось, образуя так называемые олистостромы, которые периодически переслаивались слоями новых порций вулканического пепла, донных илов и песчаных отложений. Затем происходило очередное извержение, землетрясение, терригенное переслаивание пород с органогенными известняками, брекчиями, конгломератами, что нашло, в конечном счете, отражение в обнажениях тавайзинской толщи с олистостромами (рис. 2,3,4) [Тащи, Мясников, 2003]. В недалеком прошлом (20-30 лет назад) южнее нынешнего коттеджного поселка бух. Муравьиная (ранее поселок Тавайза), в старых карьерах брались органогенные известняки для получения извести. На руинах печи для обжига известняка (извесктовый завод) впоследствии был сооружен пансионат Пионерлагерь, в настоящее время представляющий собой детский лагерь «Юность».

В отношении современной геоэкологии и геодинамики, представляет интерес фрагмент глубинного дугового разлома освоенного долинами рек Богатая и Артемовка. В обнажениях Берегового хребта и междуречий указанных водотоков можно наблюдать молодые тектонические дислокации (борозды скольжения), свидетельствующие о недавних подвижках крупных блоков земной коры. Некоторая часть дислокаций (рвы, перегибы и уступы склонов и др.) может иметь сеймогравитационную природу, на что следует обратить внимание проектировщикам и строителям инфраструктуры туристическо-рекреационного центра «Приморье».

Рис. 2. Положение пачек с олистостромами в частном разрезе Тавайзинской толщи (п-ов Муравьева-Амурского): 1. переслаивание терригенных пород с органогенными известниками; 2- брекчии (а) и конгломерато-брекции (б), переслаивающиеся с песчаниками, алевролитами и аргиллитами; 3,4 – вулканиты: 3 – лавы (а) и туфы (б) кислого состава; 4- лавы и туфы среднего состава; – внутриформационные размывы [8].

Рис. 3 . Фрагмент строения пачки тавайзинской толщи с олистостромами: 1 – ритмичное переслаивание мелкодресвяных брекчий, гравелитов, песчаников и алевролитов; 2 – то же, оползневые складки; 3 – то же, слои разорваны и перемещены; 4- ритм, сложенный брекчиями, песчаниками и алевролитами; 5- дресвяные и щебнистые брекчии; 6 – хаотические брекчии. Контакты между слоями 3,4,5,6 – эрозионные [8].

Рис. 4.  Деталь строения гигантобрекчий: 1. – переслаивание туфоалевролитов и туфопесчаников; 2- переслаивание туфопесчаников и известковых туффитов; 3 – гравелиты; 4 – известковистые песчаники; 5 – туфоалевролиты и туфоаргиллиты; 6 – брекчии [8].

Как известно последний предполагает возведение, в частности,  объектов берегозащиты (рис. 5.) [11]. Мировой опыт показывает, что ее эффективность во многом определяется правильным учетом местных геолого-геоморфологических условий и современных эндодинамических, экзодинамических и технодинамических процессов [12]. Например, объекты берегозащиты должны регулировать перемещение наносов в прибрежной зоне моря с целью сохранения и восстановления естественной пляжевой полосы от пансоната «Черепаха» (ранее назывался пос. Амбабоза) до мыса Геллера и небольшой участок к северо-западу от мыса Черепаха, включая песчано-галечную косу.

Кроме того, возможные конструкции предполагаемых сооружений должны совмещать функции как берегозащиты, так и рекреационной привлекательности. В частности, следует предусмотреть такие конструкции, которые предохраняли бы берега от абразии (между мысами Геллера и Черепаха, а также в многочисленных других участках), размыва и опасного вдольберегового перемещения наносов, а также мер по оптимизации геоэкологического состояния и безопасности (рис. 6, 7).

Геодинамическая опасность связана с перемещением масс вещественных комплексов определенных объемов и выделением энергии. Она традиционно ограничивается определением интенсивности эндогенной геодинамической опасности — сейсмичностью.

Вместе с тем вещество переносится, перемещается и экзогенным, и техногенным путем. Поэтому целесообразнее говорить о комплексной геодинамической опасности, так как существуют прямые и обратные связи между эндо-, экзо- и техногенной опасностями. Например, техногенное воздействие на геолого-геоморфологические системы при определенных условиях может ускорить замедлить функционирование не только экзолитодинамических, но и эндодинамических потоков [13, 14, 15].

Таким образом, общая геодинамическая опасность складывается из трех составляющих: эндогенной, экзогенной и техногенной опасностей.

Рассматриваемая территория по степени сейсмической активности в одних случаях относится к 7-балльной зоне, в других — к 8-балльной [16]. Вместе с тем стало ясно, что определение сейсмической опасности по свершившемуся самому сильному землетрясению не соответствует реальной угрозе. Сила возможных самых сильных землетрясений бывает больше на 1-2, реже 3 балла [8, 17, 18, 19, 20, 15]. Поэтому фоновое значение для исследуемой территории должно быть не менее 8 баллов. На участках с мощными недоуплотненными склоновыми отложениями необходимо добавлять 1-2 балла.

Экзодинамическая опасность определяется типами и видами литодинамических потоков, их интенсивностями, мощностью экзогенно-активного слоя и др. То же самое можно сказать и о технодинамической опасности, интенсивность которой определяется степенью преобразования геолого-геоморфологических систем. Это, в первую очередь, нагрузки от сооружений, нарушение установившегося квазиравновесия при сооружении насыпей, дамб, выемок, откосов и т.д. В конечном счете, необходимо ответить на вопросы: какие, где и какой силы возникнут геодинамические события и какую опасность они составляют?

Рис. 5. Вид на аварийное состояние берегозащитных бетонных сооружений (фото В.В. Коробова).

Рис. 6. Перспективный аэрофотоснимок района оз. Черепаха и прибрежной зоны (южная часть) [11].

Рис. 7. Перспективный аэрофотоснимок района оз. Черепаха и прибрежной зоны (северная часть) [11].

Таким образом, для рассматриваемой территории фоновая сейсмическая опасность принимается 8 баллов по шкале МSК-64, плюс 1-2 балла при склоновых отложениях мощностью более 10 м и наличии мощных зон разломов. Интенсивности экзо- и технодинамических опасностей могут быть оценены пока лишь качественно для каждого конкретного выдела.

Таким образом, на основании сравнительного картографического анализа и собственных визуальных наблюдений геоморфологической структуры берега можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее благоприятными для развития и создания объектов рекреационного значения являются берега с аккумулятивными формами рельефа и с наличием широких равнинных участков;

2. Менее благоприятными, но также имеющими значения для малоэтажного строительства и проведения сезонного отдыха населения на берегу моря являются многие из абразионных и денудационных участков;

3. Весьма сложными для освоения по геоморфологическому строению можно считать открытые аккумулятивные берега, где происходит размыв пляжевого материала и затопление равнинных участков. Здесь необходимы довольно сложные инженерные решения.

4. Необходим мониторинг опасных эндодинамических, экзодинамических и технодинамических геолого-геоморфологических процессов на стадиях строительства и эксплуатации объектов рекреации на исследуемом побережье Артемовского взморья  и сопредельных территориях.

5. Предлагаем организовать научно-популярную серию экскурсионных маршрутов (пеших, морских вдоль берега и воздушных «на крыльях-парашутах» или воздушных шарах) с демонстрацией обнажений горных пород, струткурно обусловленных форм рельефа и проявлений ЭГП как с помошью профессиональных инструкторов, так и без них. Как известно, один из лучших видов отдыха это сбалансированный активный, пассивный и познавательный туризм. Поэтому посетите Артемовское взморье и будьте счастливы.

В окружающем нас мире широко распространены автоколебания, которые возбуждаются в нелинейных системах. Объекты природы и общества на всех иерархических уровнях содержат нелинейные автоколебательные элементы. Возникновение автоколебаний в значительной степени определяет существование человека и общества, порождает наблюдаемые в окружающем нас мире разнообразные колебательные и эволюционные процессы. Автоколебания, как периодические, так и хаотические – одна из основных причин естественной изменчивости характеристик объектов.

Автоколебания обнаружены в атмосфере, гидросфере, криосфере, литосфере, биосфере [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17] а также, судя по результатам моделирования, во внутренних сферах Земли. Кроме того, они обнаружены в экономических (например, циклы Н.Д. Кондратьева) и социальных системах [18]. Указанные работы отражают лишь малую часть исследований по рассматриваемой проблеме. Практически во всех областях науки и техники возникла проблема их исследования. Основными целями этих исследований являются раскрытие нелинейных механизмов возникновения автоколебаний, а также использование этих сведений для практики и разработки теории в виде математических моделей.

Исследование автоколебательных процессов в крупных природных системах осложняется большими размерами таких объектов, а также их нелинейностью, без осознания и выявления роли которой, в них трудно разобраться. Здесь фактически единственный путь – создание физико-математических моделей. В отличие от обычно хорошо наблюдаемых физических и технических систем, исследование автоколебаний и сопутствующих им процессов в крупных природных и общественных системах дается не просто, так как наблюдать их визуально очень трудно, а экспериментировать с ними невозможно. Они часто неудовлетворительно обеспечены эмпирическими данными, не всегда имеют надежное обоснование. Сложности здесь связаны с тем, что при создании математических моделей объектов вводятся некоторые параметры, точность определения которых часто оказывается невысокой, а зависимость возникающих режимов функционирования от параметров может быть весьма существенной. Помимо этого, такие системы постоянно подвержены внешним воздействиям, от которых избавится невозможно, а отдельные переменные характеристики системы с трудом поддаются измерению, некоторые вообще не удается измерить. Например, невозможно измерить некоторые внутренние характеристики вулканических аппаратов. Кроме того, имеются сильные связи с другими системами того же ранга, а их выделение из более крупной системы осуществляется с существенной погрешностью.

В такой ситуации далеко не всегда удается надежно разобраться в причинах возникновения автоколебаний и, особенно, в связанных с ними различных нелинейных явлениях. Эти явления или эффекты – это, прежде всего бифуркации, после которых автоколебания резко изменяют свои характеристики или исчезают или наоборот появляются. Кроме того, наличие в системе автоколебаний может порождать некоторые эволюционные процессы, часто способствующие возникновению бифуркаций. Именно эти эффекты, эти следствия нелинейности систем в основном и будут далее рассматриваться. Они играют важную роль в динамике природных систем.

Следствия постепенного изменения параметров систем

В простейшем случае автоколебательный элемент описывается системой двух обыкновенных дифференциальных уравнений

(1)               

где u и v – переменные, описывающие состояние системы, функции f(u, v) и g(u, v) – одна или обе из них нелинейные. Если на автоколебательную систему оказывают воздействие внешние переменные во времени факторы, то в этом случае в правых частях уравнений (1) появится явная зависимость от времени t. Но существуют воздействия другого рода. Автоколебательная система, обычно, содержит один или несколько параметров, изменение которых приводит к изменениям характеристик автоколебаний, а при некоторых значениях этих параметров происходят смены режимов функционирования системы – бифуркации. Эти параметры обычно называют управляющими. В явном виде с учетом параметра λ , уравнения (1) запишутся в виде

        (2)

Выделим процессы, обусловленные вынужденным и самоорганизующимся изменением параметров.

Вынуждение. В этом случае изменение параметров вызывается внешними (управляющими) воздействиями. Этот случай для многих физических и технических систем хорошо исследован и обеспечен множеством примеров, поэтому ограничимся здесь несколькими примерами, относящимися к природным объектам.

Термобарические сейши в атмосфере. В интерпретации В.В. Шулейкина [19], качественно изображенной нами на рис. 1, в переходные периоды (весной и осенью), в муссонах возбуждаются колебания температуры и атмосферного давления (4-8 суток), которые Шулейкин рассматривал как автоколебания, названные им термобарическими сейшами. С ними он связывал феномен возникновения «бабьего лета». Параметром, регулирующим появление или исчезновение автоколебаний, здесь выступает средний горизонтальный градиент температуры в направлении суша-море, медленно изменяющийся в течение года. Возможность подобных автоколебаний, а также зависимость их характеристик и бифуркационных смен режимов от параметра-градиента температуры подтверждается множеством исследований конвекции во вращающейся жидкости. Такие явления при учете не только годовых, а более длительных и непериодических (климатических) изменений управляющего параметра, могут порождать сложную, как во времени, так и пространстве, колебательно-эволюционную картину.

Рис. 1. Возникновение автоколебаний (термобарических сейш) на фоне годовых колебаний температуры.

Климатические изменения. На основе математической модели и сведений о климатических изменениях температуры (рис. 2), в работе [13] получен вывод о том, что при понижении средней температуры Земли до некоторого значения, в климатической системе появляется новое инерционное звено – ледники, возникает бифуркация и новый устойчивый режим – автоколебания с периодами от десятков до 100 тыс. лет. Здесь подразумевается, что изменения параметра (постепенное понижение средней температуры) вызвано внешним воздействием. Возможны и другие варианты интерпретации такого поведения климатической системы, связанными с автоколебаниями [3], но в любом случае речь идет о возникновении бифуркации.

Рис. 2. Схема изменений средней годовой температуры в Центральной Европе на протяжении последних 60 млн. лет по П. Вольдштеду [20]. Временной масштаб для плейстоцена в четыре раза больше, чем для предыдущих периодов. Построена на основе палеоботанических данных.

Склоновые процессы. На склонах поверхности Земли могут возникать геолого-геоморфологические автоколебания [9,14,15]. Вследствие неравномерных по пространству эндогенных процессов или накопления в определенных местах твердых осадков (рис. 3), создаются горизонтальные градиенты рельефа поверхности Земли. Фактически рельеф переходит в неравновесное состояние. За счет выветривания и сноса материала по склонам идет противоположный процесс выравнивания рельефа. При небольших уклонах происходит слабый снос вещества вниз по склону, и система выходит на уровень насыщения, при котором в любой момент времени нарастание горизонтальных градиентов рельефа, компенсируется экзогенными процессами. Но при интенсивных эндогенных процессах (скорость поступления вещества, превышает некоторое бифуркационное значение) уклон быстро растет, динамика системы принципиально меняется, становится нелинейной. Прирост уклона не компенсируется экзогенными процессами, градиент рельефа растет до некоторого критического значения, после которого происходит быстрый сброс вещества вниз (обвал, оползень и др.). За счет эндогенных процессов градиент опять продолжает расти и ситуация с накоплением и сбросом вещества повторяется. В качестве параметра, определяющего этот процесс можно рассматривать неравномерно распределенную по горизонтали скорость поступления вещества к земной поверхности, изменения которой зависят от процессов, происходящих внутри Земли. Ю.В. Лялин и А.В. Поздняков [9] обнаружили, что нелинейность (степенная) такой системы обеспечивается фрактальной расчлененностью рельефа. Помимо фрактального, существуют и другие механизмы, порождающие нелинейность в подобных системах [21, 17]. В зависимости от скорости эндогенных процессов здесь в принципе возможны три типа режимов: отсутствие автоколебаний, периодические автоколебания, хаотические автоколебания. При постепенном изменении управляющего параметра возможна эволюционная смена режимов и, соответственно, сложный пространственно-временной колебательно-эволюционный процесс.

Рис. 3. Схема накопления и сброса вещества на склоне. x и z – горизонтальная и вертикальная пространственные координаты

Автоколебания при действии склоновых процессов широко распространенный процесс. Похожие процессы со своей спецификой характерны для снежных лавин, горных ледников, оползней на подводных склонах и др. [15]. Источники гравитационной неустойчивости здесь не связаны с процессами внутри Земли, накапливается уже другое вещество, например, постепенно уплотняющиеся снежные или выносимые реками твердые осадки.

Циклическая сукцессия. Н.Ф. Реймерс [22], относительно циклической (вековой) сукцессии пишет, что обратимая вековая динамика климаксовой экосистемы, возникает в результате ее внутреннего развития («постарения» и «омоложения»). Наблюдается, «…например, процесс превращения климаксового лесного молодняка в спелый, а затем перестоенный лес, его заболачивание или саморазреживание («остепнение»), затем естественное разболачивание или загущение молодняком того же видового состава». Пример такой сукцессии подробно рассмотрен в работе В.В. Крючкова [23]. Период колебаний циклов составляет порядка нескольких сот лет. Анализируя такую сукцессию мы пришли к выводу, что она есть ни что иное, как автоколебательный процесс, возникающий в лесной экосистеме. Автоколебания здесь не являются строго периодическими. Это связано со случайными внешними воздействиями и возможностью возникновения хаотических автоколебаний. Очевидно, что здесь под воздействием медленных климатических изменений параметров возможны бифуркации и смены режимов функционирования экосистемы. К параметрам относятся такие характеристики как климатическая температура и влажность.

Самоорганизация. Возможны и самоорганизующиеся изменения параметров, приводящие к медленной эволюции систем.

Каждая автоколебательная система s погружена в среду (в другую более крупную систему S), взаимодействует с ней и генерирует свойственные ей временные и пространственные спектры колебаний, которые оказывают влияние на систему S. Например, при возникновении землетрясений, сейсмические колебания (которые в ряде случаев являются следствием автоколебаний, возникающих в очагах землетрясений, т.е. в системе s) распространяются от области очага в различных направлениях воздействуя на состояние системы S. В результате такого взаимодействия постепенно изменяются характеристики взаимодействия систем и, соответственно, параметры системы s. Это происходит за время   τ_п>>τ (где  τ – период автоколебаний,  τ_п – характерное время изменения параметра) и приводит как к количественному, так и качественному изменению функционирования системы s. При некоторых критических значениях параметров ситуация резко меняется, происходит бифуркация, в результате которой возникает новый режим работы системы s. В ней может поменяться тип и частотный спектр генерируемых автоколебаний либо автоколебания совсем исчезнут, либо наоборот – появятся. Подчеркнем, что здесь изменения параметров не связаны с управляющими воздействиями. Изменение этих величин осуществляется вследствие взаимодействия системы S с подсистемой s, т.е. имеет место самоорганизация или самоуправление, в результате которой изменяются параметры и возникают бифуркации. Фактически же эти параметры становятся дополнительными медленными переменными. В этом случае вместо уравнений (2) надо использовать минимум три дифференциальных уравнения

     (3)

где  λ – медленно меняющаяся величина.

После смены режима наступает новый эволюционный этап, который также может заканчиваться очередной бифуркацией и т.д. Следовательно, воздействуя на систему S, система s опосредовано воздействует на саму себя, медленно эволюционируя до очередной бифуркации. Подобные нелинейные процессы имеются в природе.

В системе пульсирующий ледник (система s) – подстилающие его коренные породы (часть системы S) в результате автоколебательных подвижек ледника происходит выработка ложа ледника. За счет этого постепенно меняется уклон ложа, влияющий на характеристики автоколебаний. При некотором критическом значении этого уклона (который в данном случае можно рассматривать как параметр) автоколебания могут прекратиться, а пульсирующий ледник превратиться в обычный, с отсутствием колебаний.

Автоколебания, возникающие вследствие накопления и последующего сброса вещества на склонах (см. выше), могут не проявляться до тех пор, пока не заработает механизм, обеспечивающий необходимую нелинейность системы. Один из механизмов, связанный с фрактальной расчлененностью рельефа создается постепенно, и, следовательно, если отсутствуют другие нелинейные механизмы, то только при некотором значении показателя фрактальности рельефа (параметра), по прошествии значительного времени может возникнуть бифуркация и автоколебания.

Гейзеры и систематически извергающиеся вулканы – это автоколебательные элементы [14, 15]. В результате возникновения и длительного существования автоколебаний, в гейзере постепенно трансформируется его рабочая камера и канал, соединяющий ее с поверхностью. Это может привести к изменению условий возникновения автоколебаний и исчезновению периодических извержений в гейзере. Аналогичным образом могут появляться или исчезать подземные периодические источники воды, называемые иногда перемежающимися источниками [14, 15], в действии которых главным звеном является сифон. Примером является источник Догадо в Венгрии [24].

Совокупное действие множества автоколебательных элементов

В окружающем нас мире часто встречаются нелинейные системы, которые на определенном уровне можно рассматривать как дискретные элементы. В ряде случаев это могут быть относительно простые и достаточно обособленные геосистемы. Известно, что при сильной связанности нелинейных элементов возникают разнообразные волны (переключения, возбуждения, фазовые [25]). Здесь обратим внимание на иные эволюционные процессы, которые могут возникать в крупной системе S, при совокупном действии множества автоколебательных элементов, причем каждый из них, может генерировать свои периоды и амплитуды (и хаотические режимы) и характеризоваться своими фазами колебаний. Прямое взаимодействие между элементами предполагается слабым либо совсем отсутствующим, кроме того, элементы могут быть как однотипными, так и принципиально различными. Важно отметить, что здесь через систему S оказывается обратное влияние на элементы s_i.

Развитие общества. Особенно существенной в этом отношении является роль множества технических автоколебательных элементов и других технических нелинейных элементов в развитии общества. Перечислим некоторые из таких дискретных объектов, без которых не существовало бы земной цивилизации в современном виде. Это разнообразные часы, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, электронные автогенераторы, излучатели электромагнитных и акустических колебаний (лазеры, радиопередающие устройства, эхолоты, гидролокаторы, разнообразные музыкальные инструменты: духовые, язычковые, смычковые, электронные) и др. Очевидна колоссальная роль всех этих различных автоколебательных элементов в развитии общества. Схема их совместной эволюции такова. Появление множества однотипных технических автоколебательных элементов, например, паровых машин (систем s_i), приводит к более интенсивному развитию общества (системы S), что создает условия для возникновения в системе S множества автоколебательных элементов других типов, например, двигателей внутреннего сгорания, а это еще более интенсифицирует эволюционные процессы в обществе, расширяет область его обитания, увеличивает освоенные территории и т.д. Разнообразие вновь возникающих и одновременно действующих автоколебательных элементов усложняет и разнообразит эволюционный процесс. Очевидно, что смены режимов функционирования общества при смене типов этих элементов следует рассматривать как бифуркации.

Взаимосвязь множества технических автоколебательных элементов с обществом проследим на примере часов. Часам принадлежит исключительно важная роль в развитии науки и цивилизации. В эру великих географических открытий их повсеместное применение связано, прежде всего, с изобретением хронометра, с помощью которого появилась возможность точного определения географических координат местоположения объекта. Это способствовало множеству географических открытий и создало условия для резкого ускорения географического познания Земли, открытия и освоения неизвестных ранее новых земель.

Другая важная роль часов – это научный прибор, позволивший с высокой точностью измерять процессы, изменяющиеся во времени, и ввести множество полезных и необходимых с точки зрения науки величин, например, таких как скорость, импульс, мощность и др. Это обеспечило более строгое и эффективное изучение динамики окружающих человека объектов, самого человека и повлекло за собой множество открытий в различных областях науки. Массовое распространение часов стимулировало развитие науки, техники, усовершенствование и появление новых видов часов. По существу, становление физики и других наук обязано их появлению. Конечно, нельзя забывать о колоссальной роли часов как приборов, позволяющих организовать упорядоченную во времени жизнь отдельного человека и общества. Обеспечение благодаря этому четкого, прежде всего, внутрисуточного расписания способствует наилучшей организации труда и отдыха и как следствие – высокой производительности труда. Подчеркнем, что синхронная работа множества часов приводит к согласованным, кооперативным, когерентным и, соответственно, высокоэффективным действиям всего сообщества людей.

Очевидно, что все другие последовательные научно-технические открытия автоколебательных элементов (паровая машина, двигатели внутреннего сгорания и др.), появившиеся на определенных этапах развития общества также оказали громадное влияние на жизнь, развитие общества и освоениие человеком пространства Земли.

Склоновые процессы. Множество склоновых систем можно рассматривать как дискретные нелинейные автоколебательные элементы, имея в виду их малые размеры по сравнению размерами Земли или континента. Повсеместное совокупное действие множества таких элементов приводит к изменению рельефа Земли и, соответственно, обратному воздействию на эндогенные процессы, т.е. на источники гравитационной неустойчивости. Реакцию источников и следствия такой реакции на такое воздействие трудно прогнозировать, но очевидно, что нельзя исключить связанные с этим длительные эволюционные изменения в рельефе.

Формирование и эволюция земной коры. Множество действующих вулканов можно рассматривать как множество дискретных автоколебательных элементов. Извержение на поверхность Земли продуктов их регулярного совокупного действия способствуют формированию земной коры (т.е. возникновению новой структуры) и ее медленной эволюции. Другие автоколебательные процессы внутри Земли, которые могут быть связаны, например, с зонной плавкой [8], также воздействуют на земную кору. Одним из результатов такой эволюции коры может быть изменение характеристик самих вулканов, вплоть до их исчезновения или появления новых.

Конвективные пробои и ступенчатообразные структуры. Качественно здесь процесс выглядит следующим образом. Если жидкость или газ подогревается снизу, то вначале стратификация в жидкости устойчивая. Плотность нижней части слоя может быть меньше плотности вышележащей жидкости, но конвекция до некоторого уровня неустойчивой стратификации отсутствует. При некотором критическом значении вертикального градиента температуры (или критическом значении числа Релея Ra) она возникает, причем в виде дискретного более теплого и менее плотного выделенного объема (термика). Термик из нижнего слоя быстро перемещается (пробивается) вверх до некоторого уровня. Результатом этого является перемешивание жидкости по вертикали, уменьшение градиента температуры и Ra. Так как прогрев нижнего слоя жидкости продолжается, то описанный процесс повторяется. Обычно прорыв теплых объемов жидкости осуществляется во множестве мест у нижней границы (рис. 4). Частота расположения элементов может регулироваться пространственной неоднородностью этой поверхности: либо самоорганизуется, либо вызывается внешними факторами. В результате возникает перемешанный слой жидкости определенной толщины (сверху холодные объемы жидкости опускаются вниз, замещая термики, ушедшие вверх), в котором температура повышена. Но оказывается, процесс может на этом не заканчиваться. Аналогичным способом термики могут прорываться из образовавшегося теплого слоя вверх, формируя в результате новый слой и т.д. Такой процесс был обнаружен А.А. Скворцовым [26] в приземном слое атмосферы. С удалением от земной поверхности толщина слоев, время образования, прорыва и объем термиков возрастают. В результате система эволюционирует, а среда расслаивается (вертикальный профиль температуры приобретает ступенчатый вид (рис. 4)).

Рис. 4. Схема возникновения конвективных пробоев (а) и ступенчатообразной структуры (б). T – температура, z – вертикальная координата.

Подобный процесс расслоения возможен в морях и озерах, где в ряде мест наблюдаются лесенкообразная (ступенчатая) стратификация температуры и солености [27]. Процесс укрупнения конвективных элементов рассмотрен Фостером [28, 29]. Согласно ему «…образованный первичными элементами конвекции тонкий перемешанный слой действует как источник более крупных элементов на следующем этапе конвекции, масштабы которого определяются уже не молекулярным а турбулентным обменом теплом, новый слой является в свою очередь источником еще более крупных конвективных элементов для следующего этапа перемешивания и т.д.» [29]. В результате в жидкости возникает настоящая «иерархия масштабов конвекции» [27]. Аналогичное образование термиков-плюмов и даже расслоение возможно и во внутренних слоях Земли. В работе В.Н. Жаркова и др. [30] показана возможность возникновения конвективных образований на внешней границе земного ядра и мантии. В.Н. Жарков [31] высказывает общее предположение о том, что перегрев в слоях Земли пониженной вязкости (астеносфере и слое~700-900 км) приводит к их гравитационной неустойчивости и «куски» этих слоев вырываются из них, всплывая к подошве литосферы. Такие эпохи в истории Земли соответствуют периодам тектонической активности.

Заключение

В примерах с самоорганизацией параметров длительное время существуют колебания, под действием которых медленно изменяются параметры. В результате этого возникают бифуркации и смены режимов функционирования системы. В случае действия множества автоколебательных элементов с течением времени также возникают бифуркации, после которых рождаются новые режимы функционирования системы, но в отличие от предыдущего случая в этом режиме функционируют новые автоколебательные элементы, которые возникают в процессе бифуркации. В каждом из приведенных примеров возникают свои особенности бифуркаций и эволюционных процессов, качественно отличающиеся от других. Такое разнообразие не случайно, оно определяется как свойствами автоколебательных элементов, так и свойствами окружающей среды. Вместе с тем, это свидетельствует о необходимости более основательного изучения процессов такого рода и детальной их систематизации в рамках рассмотренного вынужденного, самоорганизующегося изменения параметров систем и совокупного действия множества автоколебательных элементов. Это позволит еще глубже понять особенности динамики природы и общества и использовать их в практических приложениях, а также дальнейших эмпирических и теоретических исследованиях.

Подчеркнем, что автоколебательные системы, как нелинейные объекты, являются одним из движителей эволюции природы и развития общества. Такой эволюционный аспект хорошо прослеживается в рассмотренных нами процессах, сопутствующих автоколебаниям.