Катастрофа – это внезапность, обрушение, почти мгновенное уничтожение существующих структур, это разгром

И кризисы, и катастрофы – это не какие-то исключительные явления, это необходимые элементы развития мира, это разрушение старого и возникновение нового. Если кризис не реализуется в катастрофе в одном случае, рано или поздно он все же приведет к ней, потому что кризис и катастрофа представляют собой составные части процесса самоорганизации материи.

Любая устойчивая структура, т.е. какой-то существующий порядок, организованность, не является вечной. Устойчивость любой системы может быть нарушена, и для этого достаточно возникновения подходящих возмущений.

Крупнейший ученый в области термодинамики и статистической физики, Нобелевский лауреат Илья Пригожий связывает процедуру самоорганизации с триадой: устойчивость, бифуркация и катастрофа [71].

Первым шагом, ведущим к возникновению новых образований, является появление так называемых диссипативных структур – структур с нарушенной симметрией (диссипация – рассеяние). Такие структуры могут иметь как биологическую, так и физическую природу, но, как замечает П. Эткинс, все они возникают из хаоса – «праха» и вновь обращаются в «прах» [97].

Классическим примером такой структуры обычно служит ячеистая структура Бенара (неустойчивость Бенара). Она возникает в жидкости, в которой между двумя плоскостями появляются конвективные течения, обусловленные нагревом снизу и отбором теплоты сверху. Причем при малом градиенте температуры частицы жидкости просто хаотически двигаются, с ростом градиента – все быстрее и быстрее, но... хаотично. При достижении определенного критического значения градиента хаос преобразуется в порядок – перемешивание молекулярное перерождается в струйное (конвективное). И положение этих струй фиксируется в виде ячеек (рис. 3.2).

Пространственные структуры конвективных ячеек приведенного типа широко распространены на Земле. Посмотрите еще раз на рис. 1.10. Особенно впечатляет Африкано-Аравийский регион, где кольцевые структуры как будто зафиксировали когда-то «кипящий котел» недр.

А вот рис. 3.3, иллюстрирует представления современной тектоники плит, в соответствии с которыми конвективные течения растягивают литосферные плиты, являясь причиной появления рифтов (Рифт – раскол с растяжением; термин относится к планетарным структурам Земли.) и погружения краевых частей литосферных плит под континенты – зоны Беньоффа (То же, что зоны субдукции: погружение по наклонным разрывам одних литосферных плит под другие.).

Правда, эта схема отражает лишь представления о реальности, хотя в ее основе и лежит огромный объем натурной информации, а также весьма изощренные расчеты и теоретический анализ. Кроме того, нетрудно понять, что здесь можно говорить только о принципиальной аналогии с ячейками Бенара. И дело не просто в разных масштабах явления и соотношении горизонтальных и вертикальных расстояний, но и в веществе. Верхняя мантия над астеносферой – это не жидкость, а вязкопластичная среда со сложным составом. Но коль скоро теория плит говорит о конвективных течениях в верхней мантии, связанных с разогревом снизу и снятием теплоты сверху, есть все основания рассматривать эту структуру как диссипативную.

Скорее всего эта структура более сложна, чем показано на схеме, и крупные, вытянутые вдоль сфер конвективные ячейки состоят из ячеек более мелких и многочисленных. Об этой возможности свидетельствует карта гравитационных аномалий, построенная по данным измерений траектории одного из искусственных спутников Земли (рис. 3.4).

Эта карта иллюстрирует довольно пеструю картину распределения плотностей в ближайших к нам областях недр Земли. А мы еще из школьных курсов физики знаем, что если среда не твердая и вещество в ней способно к конвективным перемещениям, то легкий материал будет всплывать, а тяжелый – тонуть. Это определяет процесс, называемый конвекцией. В этом случае чем рис. 3.4 отличается от ячеистой структуры Бенара? Принципиально ничем. Просто он не так строго геометричен.

Подобного рода примеров можно привести много. Ограничимся еще одним. На рис. 3.5 показана схема, иллюстрирующая среднюю меридиональную циркуляцию в атмосфере в зимний период. Положение фронтов струйчатых течений соответствует средним синоптическим условиям. В течение года и за многолетний период границы фронтов испытывают существенные флуктуации как в пространстве, так и по контрастности своего изменения. Обратим внимание на чрезвычайно важный факт – разрыв тропопаузы в области 30-х широт. Этот разрыв обеспечивает выброс воздушных масс из тропосферы в стратосферу. На фоне общих диссипативных функций тропопаузы проявляются участки активного струйчатого обмена.

¹ Редукция Фая – поправка за свободный воздух, учитывающая положение реальных точек поверхности Земли от нулевого геоида – поверхности, при перемещении по которой сила тяжести не меняется (теоретическая нулевая поверхность).

И. Пригожий выделяет в диссипативных структурах три взаимосвязанных аспекта: функцию, управляющую их жизнью, саму пространственно-временную структуру, т.е. некий пространственно-временной порядок, возникающий из-за неустойчивости, и флуктуации, «запускающие» неустойчивости. Между этими аспектами И. Пригожий видит определенное взаимодействие:

в котором обнаруживается неожиданное явление – возникновение порядка через флуктуации.

Мы снова видим, что сущность вещей строится на компромиссах. Флуктуациии – это колебания. Они как бы раскачивают систему изнутри. Но если они ритмичны, если их амплитуда не опасна для системы, они ее не разрушают, а наоборот, укрепляют, потому что всякое внешнее возмущение должно будет преодолеть кинетическую энергию этих колебаний. Появляется как бы устойчивость неустойчивости. На наш взгляд, это есть проявление кризисного состояния – компромисс между устойчивостью и неустойчивостью. Наверное, всякую диссипативную структуру можно назвать кризисной:

диссипативная структура ≡ кризисная структура.

Эти структуры весьма чувствительны к размерам и форме систем, граничным условиям на их контуре и т.п. Влияние внешних условий на их поведение может быть довольно сильным.

Теперь, понимая, что такое диссипативная структура, мы можем рассмотреть пример экологической системы, известный в литературе как задача «хищники – жертвы» или «лисы – кролики». По-существу, это игра, в которой много условностей, но которая вполне точно иллюстрирует суть дела.

Условия этой игры таковы.

1. Запас травы неисчерпаем, и ее количество в процессе поедания кроликами не меняется.

2. Кролики, поедал траву, увеличивают свое поголовье (популяцию).

3. Лисы поедают кроликов, и их популяция также растет.

4. Лисы, помимо естественной гибели, подвергаются еще и частичному истреблению как промысловый пушной зверь.

Формально все это можно записать следующим образом:

кролики + трава → больше кроликов;

лисы + кролики → больше лис;

лисы →меха.

Трава является аналогом теплоты, подводимой к системе. Процессы «кролики + трава» и «лисы + кролики» протекают спонтанно, т.е. сами по себе, и, по меткому выражению П. Эткинса, из книги которого мы взяли этот пример, кролики создаются из травы и лисы из кроликов, также как мех создается из лис.

Система «лисы – кролики» работает в так называемом автокаталитическом режиме. Это означает, что определяющие систему процессы при отсутствии ограничений приведут к катастрофическим результатам. Каждый процесс в отдельности, как бы повторяя сам себя, создает лавинообразный рост популяций. Примеры таких «лавин» хорошо известны: появление полчищ саранчи, проблема кроликов в Австралии.

Однако взаимосвязь таких процессов в системе создает колебательный эффект, определяющий устойчивую периодичность: флуктуации порождают устойчивость,хотя сами флуктуации есть ничто иное как неустойчивость.

Модель системы «лисы – кролики» или «хищники – жертвы» в научной литературе связана с именами Лотки и Вольтера и имеет соответствующие уравнения и компьютерные решения. Мы не будем останавливаться на этих вопросах. Интересующийся читатель может самостоятельно с ними познакомиться, в частности, в уже названных работах И. Пригожина и П. Эткинса.

Обратим внимание лишь на графическое оформление этой модели (рис. 3.6). Каждая начальная точка (те или иные начальные данные) определяют только одну траекторию развития (одну замкнутую кривую). Точка в центре олицетворяет абсолютную устойчивость системы. Вся система как бы вращается вокруг этого стационарного состояния – флуктуирует по замкнутым кривым (стрелки на рис. 3.6 показывают направление флуктуации).

Смысл флуктуации довольно прост.

1. Обилие травы способствует увеличению количества кроликов, и происходит это быстро, поскольку число лис еще невелико и рост их популяции отстает от темпа воспроизводства жертв.

2. Постепенно изобилие пищи приводит к быстрому увеличению числа хищников, и их активная жизнь резко снижает рост популяции кроликов.

3. Благодаря созданному на первой стадии запасу пищи (кроликов) какое-то время еще увеличивается популяция хищников.

4. Но по мере съедания «запасов» падает и способность лис к активному воспроизводству.

5. Далее процесс повторяется точно по той же кривой, если в системе и на ее границах не произошло никаких принципиальных изменений.

6. Рабочая кривая жизнедеятельности системы, ее реальный цикл, определяется начальными условиями (количеством кроликов, лис, заданным темпом их рождаемости и смерти, прожорливостью лис и т.д.)

В этой модели трава является аналогом энергии (теплоты), подаваемой в систему извне, мех лисиц – аналогом отбора теплоты (он выводится из системы). Вспомните еще раз принцип работы тепловых машин, второй закон термодинамики и четвертый закон экологии: нагреватель – холодильник, всю теплоту нельзя превратить в работу, за все надо платить. Вспомнили?

Ведь это один и тот же принцип, но проявляющийся в разных формах. Также обстоит дело и с понятием диссипативной структуры. Она не обязательно связана с конвекцией вещества, т.е. нет надобности всегда искать физические подобия ячеек Бинара. Речь идет об упорядоченности элементов системы, о ее устойчивости как целого – устойчивости, построенной из неустойчивых, флуктуирующих параметров.

Однако для нашего с вами разговора не только это обстоятельство является важным. Важен еще один момент: помимо неустойчивости в виде флуктуации в системе спрятаны потенциальные возможности катастроф в виде автокаталитических процессов, формирующих систему.

В нашем примере достаточно изъять из системы лис (хищников), и кролики уподобятся тучам саранчи, реальная трава будет съедена, и кролики исчезнут. Вызвать катастрофу можно и другими способами – скажем, запашкой всех лугов и пастбищ и т.д. Но мы изначально не обсуждаем «другие» возможности. Мы хотим нацелить вас на видение присутствия катастроф внутри благополучной устойчивой системы.