11.1. Виды космических воздействий на земные процессы

Известно, что природные и экологические факторы, влияющие на динамику биосистем, представлены сложным набором параметров. В свою очередь, каждый из этих факторов (температура, влажность, количество осадков и т. д.) испытывает периодические колебания, вызванные другими причинами. Все это приводит к тому, что видовые биологические популяции формируют сложный спектр ответных на них реакций.

Каковы механизмы, приводящие к возникновению у популяций животных циклических колебаний их численности?

К основным космическим источникам, порождающим энергоинформационные потоки и оказывающим возмущающее воздействие на динамику природных явлений и биосистем, следует отнести активные процессы на Солнце, приливообразующие силы Луны и Солнца, а также расположение планет. Вкратце мы уже упоминали об этом выше. Рассмотрим здесь конкретную роль каждого источника, значимость того вклада, который они вносят в динамику земных процессов.

Совокупность процессов, обуславливающих обмен веществ, а также энергоинформационные потоки в природных и биологических системах объединяют абиотические и биотические компоненты среды в единое целое. Поэтому изменения, происходящие в природных явлениях, должны адекватно проявляться в динамике биосистем. В силу поливекторности и многофакторности их взаимодействий формируется разнообразие связей между явлениями и сложным спектром порождаемых ими ответных реакций.

Солнце влияет на планетарные процессы и биоту посредством гравитационных, энергетических и информационных воздействий. Его энергетическая роль в природных явлениях Земли и их изменениях, включая саму жизнь, изучена достаточно полно.

Например, солнечная радиация является основным источником энергии почти для всех природных процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере нашей планеты. Особенно велика роль фотосинтетической активной радиации (ФАР) в жизнедеятельности растений, которая, в конечном итоге, определяет будущий их урожай. Кроме энергетической, велика роль звезды как физического фактора, способствующего формированию приливных явлений на Земле.

Гравитационный эффект выражается в огромной массе светила, способной «дисциплинировать» движение 9 планет на своих орбитах.

Роль солнечной активности в динамике земных процессов детально исследована многими учеными

Основной вывод, вытекающий из результатов исследований, заключается в том, что в любых физических явлениях солнечная активность может играть роль внешнего генератора возмущений, выводящих их из устойчивого состояния. Например, с ростом солнечной активности происходит усиление потока вод на север в Фареро-Шетландском проливе (Максимов и др., 1970, с. 128). В Тихоокеанском регионе обнаружено влияние солнечной активности на режим Куросио. Характерно, что когда происходит спад солнечной активности, ось Куросио проходит вблизи южных берегов о. Хонсю и меандр почти не наблюдается, как это было в периоды 1955–1957 и 1967–1968 гг. (Покудов, 1978, с 149–156).

Предполагается, что солнечная активность определяет изменение погоды в среднем на 10–20 % (Багров и др., 1985, с. 52–53). И все же, несмотря на предпринятые многочисленные исследования, посвященные выяснению механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат, до настоящего времени не дан надежный ответ на вопрос: зависят ли погода и климат от солнечной активности? (Бялко, 1989, с. 238). Аргументация же большинства авторов в пользу сильной зависимости биосферы от уровня солнечной активности и вариаций земного магнитного поля пока, увы, не всегда выдерживает строгую критику (Бялко, 1983, с. 44). Ахиллесовой пятой в исследованиях влияния солнечной активности на погоду и климат остается до сих пор нерешенный вопрос о физическом механизме такого влияния (Лосев, 1985, с. 108).

Несмотря на противоречивость многих данных о влиянии солнечной активности на земные процессы, многие исследователи считают, что солнечная активность является основным генератором изменений многих природных и биосферных процессов на Земле. Современные публикации однозначно свидетельствуют об этом (Владимирский, 1997, с. 27; Чистяков, 1997, с. 8–137; Дергачев, 1998, с. 58–71; Friis-Christensen, Lassen, 1991, p. 698–700).

Вопрос влияния солнечной активности на земные процессы, в том числе и биоту, настолько стал общепризнанным фактом, что практически ни у кого не возникает сомнения в истинности этого утверждения. И все же, анализ литературных источников свидетельствует о неоднозначном толковании многими авторами механизма солнечной активности.

Б. М. Владимирский (1997, с. 26) считает, что «эффекты солнечной активности фиксируются в среде обитания, главным образом, в физических факторах, которые не учитываются в традиционной экологии. И еще, важнейшим фактором – посредником в солнечно-биосферных связях являются электромагнитные поля, в частности низких и сверхнизких частот. Это наиболее общий, универсальный посредник между активными процессами на Солнце и откликом на них в биосфере».

Анализируя причины несогласованности между числами Вольфа и некоторыми природными аномалиями, В. Ф. Чистяков (1997, с. 114) считает, что «неуверенность в выводах о причинах аномалии, скорее всего говорит о том, что связь аномалии погоды и явлений на Солнце в 1972 г. не фиксируется числами Вольфа».

По мнению В. А. Дергачева (1998, с. 58–71), «не число пятен, а длина цикла может быть мерой связи солнечной активности и климата. Чем короче цикл, тем выше температура. И есть глубокий физический смысл этой связи, связанный с мощностью процессов на Солнце». Эти и другие примеры косвенно подтверждают предупреждение С. А. Монина о том, что признание связи между погодой и колебаниями солнечной активности отдалило бы сроки создания научных методов прогнозирования погоды, т. к. в этом случае появилась бы необходимость давать сначала прогноз солнечной активности (цит. по: Мирошниченко, 1980, с. 55).

На основании изучения данных по изменению чисел Вольфа, Кр (индекс геомагнитной возмущенности) и ПС (продолжительности земных суток) Б. А. Слепцов-Шевлевич (1998, с. 68–73) пришел к выводу, что многолетние вариации ПС подчиняются вековым циклам солнечной активности и Кр. Это значит, что изменения скорости вращения Земли также обусловлены этими процессами. Исследуя влияния ротационного режима планеты на колебания уровня Атлантического океана, автор делает следующее предположение: «стоячая вековая волна уровня присуща всему Мировому океану, поскольку генетическая, гелиогеофизическая природа ее возникновения носит глобальный характер и связана с ротационным режимом Земли, обусловленным изменениями солнечной активности и геомагнитного поля».

К сожалению, и эти исследования не проливают свет на основной вопрос, каков же механизм воздействия солнечной активности на колебания уровня Мирового океана, а также другие природные явления. В последние годы был установлен важный факт (Чистяков, 1997(а), с. 41–42), что Солнцу присущи периодические изменения его радиуса (R) и солнечной постоянной (5с), которые увеличиваются в годы максимумов 11-летних циклов чисел Вольфа, солнечная активность имеет дискретный характер. Она годами держится на высоком уровне, а иногда, наоборот, прекращается совсем – эпоха минимума Маундера (1645–1715).

Проанализировав 53-летние наблюдения величины солнечного диаметра и положения солнечных пятен в течение минимума Маундера, французские ученые (Рибс, Бартело, 1988, с. 101–102) пришли к выводу, что существуют два связанных между собой 11летних цикла – магнитный и конвективный, которые протекают синфазно. При спаде солнечной активности в минимуме Маундера крупномасштабная конвекция в верхних слоях Солнца подавлена сильными магнитными полями, возникающими благодаря механизму солнечного динамо, что приводит к аномально малому количеству пятен. Сокращение конвективного потока может привести к изменению солнечного диаметра и падению эффективной поверхностной температуры. Этого достаточно для уменьшения светимости Солнца. В то же время имеется еще вывод о том, что анализ исторических данных не вполне однозначен. Используя данные о солнечном затмении за 1715 г., некоторые авторы считают, что в пределах статистических ошибок диаметр Солнца не отличался от современного. Поэтому вопрос о поведении светила во время минимума Маундера остается открытым (Рибс, Бартело, 1988, с. 101–102).

Велика роль звезды в формировании короткопериодных и, особенно, долгопериодных приливов, которые вместе с приливной силой Луны обуславливают ритмические пульсации океанических течений. Возникает вопрос, а являются ли планеты солнечной системы пассивными телами, «слепо» следующими за движением светила, или они также способны повлиять на его активность, а значит и на характер солнечно-земных связей? Совместное влияние планет на движение центра Солнца относительно центра масс Солнечной системы (Дружинин и др., 1974, с. 45–46; Мирошниченко, 1980, с. 43; Панкратов и др., 1996, с. 7–38; и др.) способно изменить его траекторию. Точнее, в результате их совместного притяжения центр Солнца периодически смещается относительно центра масс всей Солнечной системы на значительную величину. Хорошо проиллюстрирована траектория смещения центра Солнца, вызванная воздействием планет, в работе А. А. Токовинина (1986, с. 39–44). Как следует из приводимого автором рисунка, с 1980 по 2080 г. будут 17 раз иметь место смещения Солнца относительно центра масс. Ясно, что при своем движении Солнце развивает значительную кинетическую и потенциальную в точке максимального смещения энергию и, по-видимому, данный феномен в движении Солнца не может пройти бесследно для всей Солнечной системы, да и самой звезды. Это следует из анализа литературных источников, посвященных выяснению последствий солнечно-планетных взаимодействий (Панкратов и др., 1996, с. 738; и др.).

Предполагается (Мирошниченко, 1980, с. 43–45; Колесник, 2002, с. 1275–1282; и др.), что имеются два физических механизма, благодаря которым соединения планет могут отразиться на течении геофизических процессов.

Первый механизм связан с гравитационным воздействием планет на Солнце, второй – с воздействием планет на сверхзвуковой поток солнечного ветра и другие его энергетические характеристики.

Например, сближения планет (особенно парные) совершаются достаточно регулярно, и в настоящее время выделены следующие периоды из их взаимного расположения – 2; 3–4; 5–6; 7,8; 11,6; 12,6; 15,0; 17,0; 33 года и более. Нетрудно заметить, что искомые периоды обнаруживаются в колебаниях многих природных явлений и в компонентах биосферы. Действительно, биосистемы прошли свою эволюцию вместе с эволюцией всей планетной системы и по существу являются неотделимыми от нее. Уже этого факта достаточно для обоснования важной роли планет в формировании активных процессов на Солнце.

Еще более осложняет картину солнечно-земных взаимодействий многолетний лунный прилив, который приводит к формированию малых по скорости «астрономических течений». Вместе с тем, эти течения нельзя отождествлять с постоянными океаническими потоками, типа Гольфстрим и др. Появление их обусловлено существованием глобальной стоячей волны многолетнего лунного прилива, которая неизбежно приводит к представлению о наличии в области ее узлов соответствующих астрономических течений (Максимов и др., 1970, с. 84).

Кроме космических объектов, имеются и другие факторы, способные проявить себя в колебаниях атмосферной и океанической циркуляции, а также динамике биологических систем. Акцентируем внимание на тех, физический механизм которых прослеживается особенно четко: околополюсный прилив, изменение скорости вращения планеты и др.

 

11.2. Виды геофизических воздействий на природные процессы

Еще Эйлером было показано, что сжатие Земли является причиной возникновения колебаний мгновенной оси ее вращения (Максимов и др., 1970, с. 138–139) – нутации. Следствием данного феномена является изменение уровня Мирового океана, порождающего «полюсный прилив». Этот вид прилива не имеет никакого отношения к действию приливообразующих сил Луны и Солнца. Явление «полюсного прилива» связано с небольшими, но глобальными изменениями океанических течений и циркуляции атмосферы. Периодические колебания полюсного прилива способны увеличить или уменьшить скорость течения Гольфстрим, по оценкам Н. А. Багрова с соавторами (1985, с. 60–61), на 10–15 см/с, что по сравнению с эталонной, т. е. 100 см/с, представляет ощутимую величину.

Данный фактор способен вызвать значительные аномалии в изменении траекторий движения атмосферных струй (Рудяев, 1984, с. 120–126) и океанических течений, обуславливая их периодические, долгопериодные колебания.

Аналогичное (как и полюсный прилив) воздействие на атмосферно-океаническую циркуляцию оказывают вариации ротационного режима планеты. Согласно оценкам (Сидоренков, Свиренко, 1983, с. 20–24; 1991, с. 93–100; и др.), с l955 по 1972 гг. регистрировалось замедление скорости вращения Земли, достигшее к 1972 г. своего минимального значения, когда длительность суток увеличилась на 0,0025 сек. (Рябов, 1977, с. 161–162; и др.). В это же время повторяемость форм западной циркуляции (Ж-западная форма) уменьшилась, но возросло количество периодов с устойчивой формой меридиональной циркуляции, т. е. форм Е и С (Николаев, Колтанов, 1983, с. 14–18).

Долгопериодные изменения скорости вращения Земли приводят к перераспределению воздушных и водных масс Мирового океана от экваториальных областей к полярным, формируя в последнем случае области повышенного давления (Рудяев, 1984, с. 120–126). Явление смещения дополнительных масс воздуха и воды к высоким широтам способно углубить замедление вращения планеты

Изменения скорости вращения Земли приводят к периодическим сменам форм атмосферной циркуляции, что подтверждается и лабораторными экспериментами. Так, при увеличении угловой скорости сосуда до некоторой критической величины движение водной массы в нем нарушается и заменяется квазигоризонтальным движением, напоминающим режим Россби в умеренных широтах, т. е. меридиональная форма движения переходит в зональную (Витвицкий, 1980, с. 66–67).

Изменение ротационного режима Земли и порождаемые этим явлением периодические смены форм атмосферной циркуляции не проходят для многих природных явлений бесследно.

Следует отметить, что в период замедления вращения Земли (СВЗ) с 1955 по 1972 гг. активизируется циклоническая деятельность. Примером служат факты роста числа тайфунов, смещающихся в Тихий океан: от 19 случаев в 1959 г. до 39 в 1970 г. (Третьякова, 1975, с. 39–65). В Японии преобладало число случаев с необычно низкими среднемесячными значениями температур и осадков (Борисенко, 1982, с. 32–37). Однако для этого процесса не четко прослеживается механизм, вызывающий долгопериодные изменения СВЗ.

Приведем один из возможных сценариев

Как отмечалось выше, не до конца выяснен физический механизм, обусловливающий 18-летние (и более) колебания СВЗ. Имеются достоверно установленные факты, которые нельзя игнорировать, а именно: склонение Луны, равное в среднем 23 27' не остается постоянным, а изменяется от 28 35' до 18 19' (и обратно) в течение 18 лет с лишним (Максимов и др., 1970, с. 82–83). Аналогичный период обнаружен в колебании (нутация) земной оси фактора, оказывающего прямое влияние на нарушение ротационного режима планеты. Общепризнанно, что сезонные и короткопериодные колебания СВЗ возникают за счет воздействия особенностей атмосферной циркуляции (Сидоренков, 2004, с. 5–20), перераспределения масс воды (Куликов, 1985, с. 140–143) и т. д. Если считать нашу планету замкнутой системой, то полный момент ее импульса должен оставаться постоянным. Поэтому объяснить многолетние колебания СВЗ за счет влияния внутренних сил не представляется возможным. Согласно данным Н. С. Сидоренкова, «эти противоречия устраняются, если предположить, что существует третья причина, которая одновременно влияет и на процессы в земном ядре, и на процессы в климатической системе. Такой причиной может быть гравитационное взаимодействие Земли с Луной, Солнцем и планетами. В частности, как показал Ю. В. Баркин, притяжение Луной, Солнцем и планетами несферичных, неоднородных оболочек Земли, занимающих эксцентричные положения, приводит к относительным смещениям и колебаниям их центров масс, к вынужденным перемещениям масс. Весь комплекс возникающих при этом в земных оболочках явлений можно назвать для краткости обобщенными приливами» (2004, с. 5–20).

Приведем один из современных сценариев, объясняющий замедление СВЗ (Колесник, 2001, с. 52–56) и несколько уточненный позже (Колесник, 2006, с. 139–141).

Пусть в какой-то момент времени t происходит смещение склонения Луны по отношению к Земле в северном направлении.

Выразим в приближенной форме момент вращения (М ВР ) Земли или момент импульса (L) (Шебалин, 1981, с. 62–65).

#i_012.png (17)

где М З , г 2 и – соответственно масса, радиус Земли и ее угловая скорость. Выбрав за начало координат центр Земли и направив ось OX к центру Луны, определим центр масс Земля – Луна (X C ), как (Шебалин, 1981, с. 4546):

#i_013.png (18)

где Х С , М Л , М З и R – координаты центра масс, массы Луны и Земли и расстояние между ними.

Сопоставим формулы (17)и(18)по массе Земли, после ряда преобразований найдем уравнение изменения угловой скорости вращения планеты в зависимости от центра масс (Колесник, 2002):

#i_014.png (19)

где r 2 – радиус Земли и 0 – стационарная угловая скорость вращения Земли.

В формуле (19), в правой части равенства (в числителе) присутствует выражение, имеющее размерность кгм/с (аналог единицы мощности), а в знаменателе – кгм (аналог единицы работы) (Зельдович, 1968, с. 487488). Следовательно, при неизменном положении центра масс угловая скорость равна мощности, деленной на работу и имеющей размерность t - 1 . Однако при смещении склонения Луны между новым положением оси OX центр масс будет располагаться ближе к оси вращения Земли (в силу уменьшение радиуса Земли). Следовательно, угловая скорость вращения планеты должна уменьшиться. Пусть искомая закономерность имеет вид X 0 cos(ft), где ƒ – частота колебания центра масс (2П/18,6 = 0,33), t – время и Х 0 – расстояние от центра Земли до центра масс. Подействуем на оператором d/dt. Имеем:

#i_015.png (20)

где #i_016.png – угловая скорость вращения Земли.

Предположим, что момент внешних сил, воздействующих на вращение Земли, остается без возмущений. Решение (20) с использованием математического пакета Maple имеет вид (рис. 1):

Рис. 1. Изменение скорости вращения Земли за 18 лет

Расчеты подтверждают предположение о том, что угловая скорость вращения планеты не остается постоянной и для нее присущи, как и для многих других природных явлений, циклические колебания. Так как эти колебания порождаются внешними условиями (изменение склонения Луны, а, следовательно, и перераспределение пары сил Солнце-Луна и т. д.), то аналогичные колебания многих природных явлений (цикличность в океанологических и синоптических процессах, биоты) на Земле являются проявлением данных внешних сил – фактора, влияющего на вибрацию всей климатической и биотической систем нашей планеты. Естественно, что для полного понимания влияния Луны на СВЗ необходимо решать задачу с учетом обращений системы «Земля – Луна» около общего барицентра, а также нашего спутника вокруг Земли и т. д. Решение подобной задачи в общем виде имеет более сложную природу и требует отдельного анализа.

Подводя итог, необходимо подчеркнуть следующее.

1. Существует весьма обширная литература, где можно найти необходимые сведения о природе и периодичности колебаний многих явлений, показатели которых близки к космическим.

2. Описанные черты многолетней изменчивости атмосферных явлений и гидрологического режима не могут не сказаться на функционировании экосистем и в конечном счете на воспроизводстве биоресурсов каждого региона, а значит и на их приспособительных (внутрипопуляционных), экосистемных перестройках. Это выводит исследования проблемы на новый, более актуальный уровень.

3. Узловыми вопросами солнечно-земных связей следует считать поиски механизмов, порождающих солнечную активность, а также способов воспроизведения ее сигналов (сообщений) природными явлениями, совпадающих с ходом чисел Вольфа или индексов Кр и др.

 

11.3. Реакции биоты на гелиогеофизическое воздействие

К настоящему времени специалистами проведен достаточно подробный анализ имеющихся материалов о действии различных факторов на колебание численности популяций животных, фитомассы трав и сельскохозяйственных культур.

Согласно опубликованным данным, среди экологов нет пока единого мнения о природе многолетних циклических колебаний биоресурсов, а также о той роли, которую играют гелиогеофизические факторы в формировании этого явления. И это понятно, ибо с начала исследования цикличности закономерно возник вопрос: генерируются ли волны жизни самими популяциями и особенностями взаимодействия их друг с другом, представляющим тем самым автоколебательные системы, или они, волны, являются следствием влияния импульсов, постоянно поступающих из внешней среды.

По существу, речь идет об эндогенности и экзогенности популяционных циклов.

Так, например, имеется мнение (Уатт, 1971, с. 96–98), что у нестабильных (флуктуирующих популяций) видов рыб (калифорнийская сардина, анчоус и др.) изменение численности обусловлено в основном внешними факторами, а для высокоустойчивых видов (камбала Северного моря и др.) внешние факторы играют второстепенную роль в их многолетних колебаниях численности. На основании анализа многочисленной литературы Г. В. Никольский (1974, с. 293–307) пришел к выводу, что влияние погодных и других внешних условий на состояние численности популяций рыб реализуется в изменении условий воспроизводства и обеспеченности пищей особей, что, в свою очередь, предопределяет увеличение выживаемости поколений, особенно на ранних стадиях роста. Следует заметить, что механизм формирования многолетних изменений численности популяций животных сложен и крайне неопределен. Поэтому были предприняты попытки отыскания универсального генератора цикличности биоресурсов – солнечной активности.

Имеется мнение (Юзбашев и др., 1982, с. 56–64), что солнечная активность влияет, например, не на процесс прогрессивного повышения урожайности сельскохозяйственных культур и других видов биоресурсов, а только на ее колебания, т. е. на отклонения урожайности от главной тенденции. Этот же автор выдвинул ряд предпосылок влияния СА на растения. Например, воздействие СА на растения может быть прямым – за счет излучения на само растение, и косвенным – через влияние на атмосферную циркуляцию и микробиологические процессы в почве. В годы минимума на Солнце становится меньше активных очагов, но их воздействие на биосферу Земли повышается, благодаря смещению очагов к солнечному экватору, что обеспечивает наилучшие условия проникновения корпускулярных потоков в глубь атмосферы Земли.

Как считают А. Д. Данилов и С. И. Авдюшин, «прямых механизмов воздействия СА на здоровье людей не видно, а влияние погоды ощущает каждый» (1993, с. 18–21). Выявлена связь между изменением численности добываемых соболей с темной и светлой окраской за 200 лет и изменениями солнечной активности. Значит, если СА способствует созданию наиболее благоприятных условий для одних видов животных и неблагоприятных для других видов, и при этом происходит резкое увеличение их численности, то как следствие данного процесса должны наблюдаться и перестройки генофонда популяции. Основания для данного вывода имеются.

Так, например, А. В. Яблоков считает, что популяционные волны совершенно случайно, но резко меняют набор мутаций и их концентрацию в популяциях (1980, с. 14–15). В этом смысле популяционные волны (часть мутаций случайно исчезает из популяций, а некоторые могут повышать концентрацию) являются поставщиком эволюционного материала под действием относительно интенсивного отбора. В соответствии с этим утверждением можно предположить, что циклические колебания численности популяций животных и фитомассы трав и т. д. являются не артефактами наблюдений, а биологической закономерностью. Она важна для популяций тем, что они (популяции) имеют лучшие шансы для выработки особями приспособительных механизмов (и, возможно, закрепленных в будущем генотипом) к постоянно меняющимся условиям среды, а значит и способность сопротивляться давлению среды. На основе внутрипопуляционной разно-качественности начинаются процессы отбора, ведущие к перестройке наиболее генерализованных качеств популяции в соответствии с изменившимися средними условиями ее жизни.

По мнению И. А. Шилова (1985, с. 254–258), гомеостатические механизмы популяционного уровня лежат в основе того, что в относительно стабильных условиях популяция функционирует как устойчивая форма существования вида, а в условиях направленного изменения среды представляет собой исходную единицу эволюционного процесса. Имеются все основания считать, что доведение популяционных показателей до максимума для популяций является более выгодным и экономичным фактором, чем постоянное поддерживание их на высоком уровне. Отсюда следует, что за каждым подъемом численности должен следовать ее спад для восстановления и подготовки необходимых условий к новой вспышке популяции.

Можно предложить еще один внутрипопуляционный механизм цикличности биоресурсов, когда в популяции животных происходит периодическое накопление избыточного количества неиммунных особей к определенным видам микроорганизмов. При создании благоприятных условий (сочетание температуры воздуха и влажности и других параметров среды) активизируется очаг инфекции и особи, не имеющие иммунитета, в первую очередь элиминируют. Так как этот механизм выработан эволюционно, то количество погибших особей колеблется в определенных пределах – для котиков, например, от 3–9 до 25 % (Колесник, Тимофеева, 1982, с. 163–165).

Исследуя механизмы динамики мелких млекопитающих, О. А. Жигальский (1989, с. 35–36) пришел к выводу: чем больше совпадает период изменений условий существования с периодом внутрипопуляционных колебаний и чем больше выражена цикличность внешних условий, тем выше согласованность и упорядоченность популяционных процессов, что позволяет популяции с максимально возможной скоростью реагировать на изменение внешних условий. Внешние факторы, по мнению данного автора, определяют верхний предел оптимального для данных условий уровня плотности. Функция внутрипопуляционных механизмов – приведение численности и структуры популяций к уровню, адекватному условиям среды.

Известно, что в период наибольшего замедления вращения Земли в 1972 г. на большей части европейской территории СССР разразилась жесткая засуха. В центральных областях Поволжья в этот период по 50–80 дней не выпало ни капли дождя (Мирошниченко, 1981, с. 60–61).

Значит, отмеченные в 1972 г. аномальные погодные условия должны были сказаться на урожайности трав и на животных, питающихся растительным кормом, и других видах, связанных трофическими взаимоотношениями, самым негативным образом. Все это дает право признать за экологическими факторами одну из ведущих ролей в колебании численности популяций и в регуляции их обилия (Гуляева, 1982, с. 179–180).

Н. В. Гулинова (1982, с. 87–88) отмечает, что урожайность естественных сенокосов в значительной мере определяется метеорологическими условиями, а в динамике урожайности сена многолетних трав (Алтайский край и Новосибирская область) прослеживается двухлетняя цикличность, которая обусловлена двухлетней цикличностью погодных условий.

Аналогичные периоды в урожайности трав лугов Сахалина найдены и нами (Колесник, 1994, с. 214–217).

Причины колебания численности наземных популяций животных многообразны. Те виды, основу жизни которых составляет растительная пища, в значительной мере зависят от засух и других аномальных явлений природы, приводящих к периодическим подъемам и спадам урожайности кормовых угодий. Так, например, значительное сокращение численности водяной полевко было вызвано засухами, зарегистрированными в некоторых районах Сибири в 1962 г. (момент размножения грызунов – май месяц) (Пантелеев, 1968, с. 150–200). Засуха – это, пожалуй, самое крупномасштабное и, поэтому, самое убедительное проявление климатических изменений, происходящих на Земле. Именно засуха или крайне неблагоприятные годы во многом способствуют резкому снижению фитомассы растительности лугов, болот, пойм и т. д. Чаще всего засуха возникает в период доминирования меридиональной формы атмосферной циркуляции, и это понятно, ибо в это время сумма дней с вторжением воздуха из Арктики существенно превышает средние значения. Происходит понижение температуры и выпадает меньшее количество осадков, т. к. арктический воздух содержит меньше влаги (Лосев, 1985, с. 114–115).

Более чем 20-летнее слежение за симпатрическими популяциями 11 видов грызунов из Барбары (Новосибирская обл.) дало материал для заключения о том, что природные популяции грызунов испытывают колебания численности, близкие геофизическим циклам (атмосферная циркуляция, осадки и т. д.). Здесь же выявлены 2-, 3-, 7– и 11-летние колебания их численности (Ердаков, 1990, с. 214–215). Интересно, что, по мнению автора данной работы, эндогенность многолетней популяционной цикличности не имеет таких строгих доказательств, как в случае циркадных ритмов. Тем не менее, внутрипопуляционные механизмы динамики численности предполагаются большинством исследователей (Ердаков, 1990, с. 214–215).

Многочисленные исследования были проведены по изучению причин межгодовой изменчивости численности морских рыб и других видов гидробионтов. Как показал анализ литературных данных, а также результаты наших собственных вычислений, получить однозначный ответ на причину цикличности водных растений и животных крайне затруднительно. Несмотря на то что водная среда для рыб более стабильна, сложна чем, например, наземно-воздушная, многим популяциям присущи многолетние колебания численности. Причем периоды появления гребней и ложбин в вариационных рядах близки к наземным популяциям. Изменение направления оси океанических течений, типа Гольфстрим или Куросио, флуктуации в этой связи биопродуктивных зон для питания рыб, перераспределение скоплений во временно-пространственном аспектах, а значит, и их миграционных путей – все это не может не сказаться на воспроизводстве популяций гидробионтов. Совпадение многих периодов колебаний природных явлений, наземных и морских видов биоресурсов свидетельствует о наличии какого-то единого генератора колебаний. Многие исследователи склонны придавать солнечной активности ведущую роль в формировании циклических колебаний рыб.

Следует предположить, что земные явления мало влияют на колебание космических процессов, и последний фактор воздействует на весь комплекс земных процессов однонаправленно. Но степень этого воздействия на живые системы может быть неоднозначной. Известно, что годовые колебания численности резче выражены у форм с коротким жизненным циклом, чем у поздно созревающих рыб. Рыбы, у которых не обнаруживаются значительные колебания урожайности, характеризуются более стабильными условиями нагула и довольно постоянной величиной кормового ареала (Никольский, 1974, с. 208–307). К сказанному следует еще добавить, что периодические колебания численности и биомассы стад рыб, определяемые общеклиматическими причинами, часто могут сглаживаться и меняться под влиянием действия местных факторов. Поэтому совместное воздействие на воспроизводство популяций космических, природных и внутрипопуляционных факторов вызывает у последних ряд новых, эмерджентных, свойств их динамики, которые затруднительно интерпретировать, если к анализу материалов подойти с позиций монофакторного, а не многофакторного осмысления. Возможно, что этим феноменом обуславливается явная пестрота гипотез и оценок в объяснениях влияния факторов среды на формирование многолетних колебаний численности видовых популяций, приводимых авторами в своих работах (Шунтов и др., 1993, с. 350–351; и др.). В данном случае можно согласиться с Р. Риклефсом (1979, с. 245–246), что попытки расчленить циклы колебаний мелких млекопитающих (леммингов и других видов) на отдельные звенья путем полевых и экспериментальных наблюдений оказались безуспешными. Например, снижение численности леммингов в зимнее время определялось хищниками, а летом – другими причинами. Имеется утверждение (Чернявский, 1982, с. 325–326), что внешние факторы представляют важный элемент регуляции численности арктических грызунов.

Сложность выявления закономерности по проблеме цикличности обусловлена тем, что многие процессы, воздействующие на популяцию как систему, имеют нелинейный характер. Следовательно, для этого класса систем, т. е. популяций, неприменим принцип суперпозиции, суть которого сводится к следующему: результат одновременного воздействия нескольких факторов на популяции (их численность) неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности (Самарский, 1989, с. 9–28). Это очень сильное утверждение, ибо, если данный принцип применим в отношении популяций, сообществ и т. д., то становится понятной невозможность отыскания одного, локального, фактора, ответственного за формирование многолетних колебаний биоресурсов. Можно полностью согласиться с мнением Д. Ф. Оуэна, утверждающего, что «в конце концов, является ли климат важным и даже более важным, чем строго биологические факторы, вызывающие смертность в зависимости от плотности в формировании колебаний численности, – все это пока предположения. Еще, конечно, не все выяснено, и глупо быть догматиком, полностью принимая или отвергая любую из всех этих соперничающих теорий» (1984, с. 82–83).

Существует еще один вопрос в проблеме цикличности, который требует своего разрешения, – физическая интерпретация кривых вариационных рядов наблюдений. Это принципиальный вопрос, ибо, если считать, что искомые кривые есть не что иное, как «белый» или «красный» шумы, то теряет всякий смысл проведения исследований по проблеме цикличности. Для такого утверждения есть серьезные основания.

Имеется следующее мнение: «Как бы случайно ни бросать точки на плоскость, при их соединении плавной кривой всегда обнаружится некоторое, кажущееся подобие периодичности, которое при желании можно выдать за цикл. Широкий диапазон эмпирически обнаруженных циклонесущих частот показывает их приблизительно равномерное распределение по всем периодам, что свидетельствует о шумовом характере анализируемых процессов» (Поляк, 1989, с. 74–77).

Аналогичного мнения придерживается А. В. Бялко (1994, с. 45–48), который считает, что большие амплитуды долгопериодных флуктуаций природных процессов позволяют найти частичное подтверждение любой периодичности (в этом и состоит коварство красного шума). К счастью, практика подтверждает обратное, т. е. какие бы мы ни рассматривали природные явления (речной сток, атмосферная циркуляция, миграция оси океанических течений и т. д.), они, находясь в разных географических зонах Земли, имеют в своем проявлении такие же периоды колебаний показателей, как и биоресурсы. Это свидетельствует о решающем вкладе космических и геофизических планетарных факторов в формирование отмеченных периодов, т. е. 2,3,4 и более лет. Мощные засухи и, как следствие, спад урожайности кормовых угодий, проловы рыбопромысловых флотилий, резкое снижение численности пушных зверей – эти явления (периодически повторяющиеся) не могут быть объяснены за счет артефактов природы, т. е. белого или красного шумов. Ответ на эти вопросы надо искать на стыке углубленных физико-биологических исследований.

Л. И. Мирошниченко выяснено (1981, с. 120–127), что если, например, совпадают периоды ритмов с частотной структурой изменений во внешней среде, то это определенно указывает на наличие синхронизации. Доказательством наличия синхронизации являются высокие коэффициенты связи корреляции между сравниваемыми колеблющимися явлениями. Но при неполном совпадении (по близости) регистрируемых периодов могут возникнуть биения, которые чаще всего и обнаруживаются в рядах динамики биоресурсов. Так, например, на кривых волн жизни можно выявить одновременное присутствие двух периодов с изменяющимися амплитудами, постоянными смещениями фаз относительно фазы вынуждающей силы. Если учесть, что многие колебания формируются за счет захвата частоты (Владимирский, 1982, с. 166–174) или принудительной синхронизации, то уместен вопрос о применимости теории случайных процессов к анализу имеющихся по биоресурсам временных рядов. По мнению Л. И. Мирошниченко (1981, с. 166–174), гипотеза о принудительной синхронизации позволяет объяснить солнечной активностью географическую изменчивость колебания многих природных явлений. Эта гипотеза служит хорошим инструментом для анализа причин несопоставимости и неоднозначности (невоспроизводимости) некоторых статистических результатов по гелиобиологическим связям – факта, давшего повод для сомнений в реальности таких связей.

Можно предположить, что роль СА и других космических и планетарных факторов, формирующих многолетнюю цикличность природных явлений, в том числе и биоресурсов, не сводится к прямому их влиянию на эти процессы (воспроизводство численности популяций и т. д.). Упомянутые факторы модулируют более высокоэнергетические связи других явлений, которые уже прямо (температура воздуха и почвы, влажность и т. д.) влияют на воспроизводство растительных ресурсов, а далее, по линии трофических взаимоотношений. Все это сказывается и на состоянии численности популяций животных, которые развиваются по собственным законам, выйдя из стационарного состояния. Результатом внутри– и межвидовых взаимодействий флуктуирующего ансамбля будут порождаемые им волны, на амплитуду и частоту которых оказывают свое влияние другие факторы земного происхождения.

Мы так подробно остановились на анализе сложных циклических колебаний многих природных и биологических систем не случайно. Дело в том, что вся околоземная среда, включая и биосферу, пронизана ритмами той или иной величины. В сочетании с негативным влиянием человека на биосферу имеется дополнительный фактор, усиливающий глубину разрушительного воздействия человека на биосферу. Это надо учитывать при планировании тех или иных мероприятий, касающихся эксплуатации компонентов биосферы.

Как свидетельствуют результаты исследований, наличие у природных и биологических систем квазипериодических колебаний, их уровней должно учитываться при разработке мероприятий по оптимальному использованию биоресурсов. Игнорирование же искомого феномена может привести к тому, что при совпадении, например, планируемого увеличения изъятия ресурса и начала спада численности популяции ее состояние можно перевести к депрессивному (со всеми вытекающими для биоресурса последствиями).

Поэтому эффективная экологическая политика сотрудничества предпринимателей с другими заинтересованными лицами из стран АТР – это получение оптимальной добычи ресурса, с минимальными затратами сил и средств и, что самое важное, – это сохранение воспроизводительной способности популяции. В этом видится суть экологической политики с нашей стороны.