Саморегуляція з негативним зворотним зв'язком

 

У геосистемах, які регулюються таким чином, відбувається свого роду стеження за відхиленням стану системи від рівноважного (рис. 3). Варто початися процесу зміни, як тут же в системі виробляється певний імпульс, що пригнічує причину зміни. Іншими словами, збільшення виходу системи знижує вхід за такою принциповою схемою (рис. 6):

Рис. 6. Принципова схема системи з негативним зворотним зв'язком. Потовщений контур негативні-тельной зворотного зв'язку.
Пояснення: Чисельність популяції є базовою характеристикою популяції. У міру зростання чис-лінощів зростає, за інших рівних умовах, її плодючість. Приплід у сумі з базовою чисельністю утворює нову чисельність. Якщо територія, займана популяцією, залишається колишньою, то щільність популяції (тобто відношення чисельності до площі) зростає. У такому разі, після досягнення критичної щільності, в популяції виникає інформаційний сигнал "Нас надто багато!". Тобто в наявності інформаційне регулювання. Реакцією на нього є зниження плодючості, а це, у свою чергу, зменшує приріст чисельності (тому що частина популяції природним чином вимирає).

Завдання: Користуючись цією схемою як свого роду матрицею, розгляньте відносини, що виникають на основі негативного зворотного зв'язку, які можна побачити в природі та соціумі.

Саморегуляція на основі позитивного зворотного зв'язку.
Така саморегуляція побудована на принципі: збільшення виходу системи посилює вхід.
Приклад такого роду наведено на рис. 7.

Рис.7. Модель "білої землі" за М. Будико.
Пояснення: принципово важливе явище самоусіленія зниження середньої температури Землі при збільшенні площі льодовиків і снігів за рахунок позитивного зворотного зв'язку «+». Цей процес, у свою чергу, призводить до розростання площі "білої землі".
Іншими словами, варто тільки початися певного процесу, який регулюється таким чином, як далі він буде все більше посилюватися, поки не зруйнує систему або ж виснажить навколишнє середовище.

Динамічна саморегуляція
Очевидно, що одночасно безліч різних причин призводять до того, що будь-яка динамічна рівновага буде раз у раз порушуватися: змінюється погода, і це впливає на темп випаровування; опади збільшують приплив води: люди забирають воду на зрошення, не рахуючись з потребами природи - саме тоді, коли вода потрібна полях і т.д. Всі ці спонтанні (по відношенню до геосистем) впливи називаються флуктуаціями. Через флуктуацій геосистема не може перебувати в стані рівноваги стійко: вона лише до цього прагне. Отже, така рівновага, яка постійно порушується, хоча геосистема і прагне його відтворювати, називається динамічною рівновагою (рис. 8).

Рис. 8. Динамічна рівновага на основі негативного зворотного зв'язку

Пояснення: система саморегуляції (стабілізації) стану системи "атмосфера -
земна поверхня "на основі негативного зворотного зв'язку (всі пунктири).
Негативний зворотний зв'язок забезпечує збереження рівноваг. Безліч таких зв'язків створюють гомеостазис в системі геосфери, що має глобальне екологічне значення.

Приклад 1. В якості прикладу розглянемо безстічне озеро, наприклад Аральське море або Каспійське море в умовах саморегуляції (рис. 9).

 

Рис.. Складна саморегуляція на основі негативного зворотного зв'язку

Пояснення. Це приклад динамічної саморегуляції. Рівень коливається між позначками (1) і (2). Входом системи є приплив води з площі басейну озера. Можна виділити навіть два входи, так як озеро має поверхневий і підземний припливи, але це не змінить сутності системи.
Система має один вихід - це випаровування з водної поверхні.
Для того щоб визначити, чи керована це система, проведемо мислений експеримент. Уявімо собі, що зменшився приплив. Порушиться баланс, від якого залежить обсяг озера. Зниження обсягу обумовить зниження рівня води до позначки (1). Через це площа озера зменшиться. Це призведе до зменшення випаровування; води в озері стає більше, рівень має піднятися і встановиться на середній відмітці (показаний потовщеною лінією між рівнями (1) і (2). Отже, площа озера є регулюючим параметром видаткової частини водного балансу. Відбувається автоматичне регулювання системи відповідно до зазначеного принципу. Оскільки приплив в цій моделі не змінюється, то випаровування зменшує площу озера, яка зі зворотним знаком залежить від нього.

Отже, в першому випадку:
зменшився приплив - знизився рівень - зменшилася площа дзеркала - зменшилося випаровування і так до тих пір, поки встановиться нова рівність між припливом та випаровуванням.
Розберіть інші випадки: а) збільшення припливу; б) збільшення випаровування; в) зменшення випаровування. Самостійно проаналізуйте, що відбудеться в кожному випадку з рівнем озера. Можна розглянути комбінації двох змін одночасно.

Питання на кмітливість: Дайте відповідь, чи може відбуватися таке саморегуляція у водоймищі чи штучному басейні зі стрімкими берегами?
Якщо всяка зміна стану системи такого роду, яке визначається зміною співвідношення входу-виходу, гаситься протилежним впливом керуючого елемента, який таким чином стабілізує систему, то говорять, що це система саморегуляції з негативним зворотним зв'язком. Системи з негативним зворотним зв'язком стійкі. Вони самозберігається, як би захищаючись від впливів зовнішнього середовища.

Приклад 2. Замерзання водної поверхні - це захист системи від зайвої витрати тепла. Зазвичай велика частина тепла, що накопичено у воді водойми, витрачається на випаровування води. Випаровування з поверхні льоду в порівнянні з ним мізерно.
Таку ж функцію саморегуляції виконує в літній час випаровування води. Чим сильніше нагрівається вода, тим сильніше випаровування, а останнє знижує температуру води. Завдяки цьому, вода в саморегулюючої водоймі не перегрівається. Температура води (у поверхневому шарі активної взаємодії з повітрям) стабілізується у деякої величини - точки рівноваги системи.
Але в природі є і протилежні способи саморегуляції.

Приклад 1. Після вивержень вулканів неодноразово зазначалося тривале (кілька років) похолодання клімату Землі. Воно має характер системи з позитивним зворотним зв'язком. Виверження знижує прозорість повітря, тому що пил і гази замутнен повітря не тільки тропосфери, але нижньої стратосфери. Замутнений повітря перехоплює частина потоку сонячної радіації і завдяки цьому нагрівається. Грунт і поверхня океану недоотримують тепло і щодо охолоджуються. В атмосфері встановлюється рівновага вертикального стовпа повітря, і вертикальна конвекція затухає. Це призводить у зменшення теплопереносу в приземному шарі повітря додатково до того, що викликаний безпосередньо замутніння повітря.
Це приклад інформаційного регулювання. Міць самого неймовірного вулканічного виверження незрівнянно мала в порівнянні з потоком сонячної енергії на протязі, наприклад, року.
Ще більш виразними прикладами інформаційного регулювання є аерозольний ефект в містах і промислових регіонах, чи вплив озону на структуру потоку інсоляції.
Приклад 2. Варто початися танення снігу навесні, як цей процес стане посилюватися сам собою: поверх-ність снігу потемніє, і її альбедо зменшиться; утворюються проталини - все це підсилює надходження сонячної енергії, і т.д.
Приклад 3. Як починається опустелювання: як лишай на живому тілі. Варто початися процесу, зокрема, знищити хоча б частково рослинність на степу або напівпустелі - і пустеля тут як тут. Залишилася, рослинність пригнічується, розріджує, вона не в змозі видобувати воду з глибини піску; зменшується випаровування вологи, повітря стає сухішою, опади не досягають поверхні, випаровуючись в сухому повітрі не долітаючи до земної поверхні і т.д. Дослідження показують, що в результаті сукупності таких, здавалося б, незначних, процесів водний баланс території, що відчуває опустелювання, знижується втричі, хоча, здавалося б, нічого ж не відбулося істотного?
За такою ж схемою розвивається пожежа в лісі або в іншому місці. Спочатку запалюється тільки те, що легко горить, але поступово температура зростає, і горить все інше. Це процеси з позитивним конту-ром саморегуляції, або з позитивним зворотним зв'язком. Принципова схема такого процесу ви-дивиться так, як на рис. 10.
Це приклади, де процес має сигнально-інформаційний характер. Він змінює співвідношення між компонентами навколишнього середовища, що надає стихійно почалось процесу спрямований характер.

 

Рис.. Простий приклад системи з позитивним зворотним зв'язком.

Приклад 4. Відомо, що племена Центральної Африки викликають випадання опадів у вигляді злив з по-міццю штучних пожеж. Підпалюючи великий масив сухий савани, вони домагаються виникнення потужного стовпа повітря, що досягає рівня конденсації вологи і призводить до виникнення хмарності та опадів.

Завдання 1. Скласти модель представлення про те, яким чином штучно викликаються опади з по-міццю потужну пожежу.
Відповісти на питання:
1. Чим регулюється це процес?
2. В якому випадку він буде стійким, тобто опади триватимуть довго? (Цей складний приклад вимагає врахування впливу конденсації водяної пари над джерелом конвективного підйому повітряного стовпа - див. розділ про географічні теплових машинах).

Пояснення: Цей процес регулюється станом повітряного стовпа в зоні пожежі. Чим вище нагрівання повітря знизу, тим більше його нестійкість і відповідно, імпульс руху нагрітого повітря вгору..
Процес не стане стійким ніколи, тому що він регулюється позитивним зворотним зв'язком. Він приобре-тет квазіустойчівий характер, якщо вертикальний повітряний стовп досягне рівня конденсації. Такий стан буде зберігатися до тих пір, поки буде досить атмосферної вологи для підтримки «тяги» у цій вертикальної «трубі»).

Завдання 2. Привести 2-3 прикладу динамічної рівноваги в геосистемах (саморегуляція радіаційного, теплового балансу і влагооборота).
За інформаційної регулювання енергії витрачається у багато разів менше в порівнянні з тими перетвореннями, які здійснюються в регульовану систему. Наприклад, щоб вимкнути електромережу потужністю в сотні кіловат, достатньо натискання кнопки.

Висновки
Саморегуляція - це найпростіший вид управління, здійснюваний самою системою без участі людини. У будь-якій системі управління є складові частини, зв'язок між ними, входи і виходи системи, набір станів, в яких система може знаходитися, і керуючі елементи. Вони взаємодіють за двома принципами: позитивної та негативної зворотнього зв'язку.

Досліднику, який має намір освоїти управління такою системою, необхідно визначити характер управління і встановити, які можливості людини у справі управління геосистеми, іншими словами, імітувати систему, показавши її елементи, прямі і зворотні зв'язки між ними.

Проблема 9

7.2. Стійка нерівноважність в географічному висвітленні

І. Пригожин звернув увагу на те, що природні системи реально перебувають у стійко нерівноважному стані. Це такий стан геосистеми, яке виникає і самопідтримується нею в умовах, коли геосистема постійно отримує зовнішню енергію або речовину, тобто є відкритою системою. Природні системи завжди є відкритими, і тільки в дослідницьких цілях їх можна ототожнювати (досить умовно) з закритими або ізольованими системами.
Це узагальнення І. Пригожина зробило революцію в сучасному природознавстві, а сам автор був справедливо удостоєний Нобелівської премії.
Приклад 6. У руслі водотоку постійно відбуваються гідрологічні процеси, викликані кінетичною енергією води потоку. Ця енергія, у свою чергу, є перетвореною променистою енергією Сонця. Рухома вода здійснює роботу (водна ерозія), руйнуючи дно, і переміщає продукти руйнування вниз по руслу і в той же час відкладаючи їх на дні і біля берегів водотоку (акумуляція). У той же час, на місце винесеного матеріалу відкладаються наноси, які надійшли з верхніх частин русла. Тому форма русла - його подовжній і поперечний профілі - хоча й змінюються, але в значно меншому ступені, ніж здавалося б можливим. Образно кажучи, річковий потік сам руйнує і сам же відновлює, ніби ремонтує, русло. Завдяки цьому, русло залишається стійко нерівноважним і змінюється в меншій мірі, ніж слід було очікувати, хоча постійно перебуває у стані оновлення і перетворення - але тільки в певних рамках.
Якщо припинити описаний процес, тобто спробувати замінити неравновесность рівноважним станом, те русло відімре і перетвориться на озеро-старицю. Таким чином, стійко нерівноважна система життєздатна до тих пір, поки вона зберігає нерівноважності.