1. Абстракт

Понятие гармонической структуры гидросферы вытекает из закона гармонической структуры систем в природе, основанном на понятии и численных выражениях Золотого Сечения, одной и самых загадочных математических констант. Упругостью гидросферы является ее способность контролировать перепады энергии, поступающей от солнца, связанные с вращением Земли вокруг солнца и своей оси, характером и размерами отражающей и поглощающей поверхностей, поддерживая температуру приземного слоя в любой точке в приемлемом для жизни интервале. Функциональная и структурная самодостаточность любой водной системы может быть выражена графиком структурной гармонии в любой точке гидросферы за определенный период и представляет распределение базовых, умеренных и предельных составляющих энергий между элементами гидросферы и их различными параметрами. Под элементами гидросферы подразумеваются ее составляющие: атмосферные, поверхностные, гляциальные, грунтовые, почвенные и биосферные воды. Часовые и суточные градиенты количественных и качественных показателей состояния элементов, выраженные в стандартных и нестандартных параметрах, выстраиваются в определенной структурной композиции, задаваемой характером ландшафтных, гидрографических, гидрогеологических и антропогенных особенностей рассматриваемой точки или района (водосбора). В связи с огромным объемом графического и табличного материала, используемого в статье, демонстрируемого по большей части лишь на конференциях последних 3 лет, в статье даются номера слайдов и адреса страниц сайта автора (www.hydrology.ca), на которых опубликованы основные презентации.

1. Введение

Идея рассмотрения гидросферы как единой структурно-функциональной природной системы, а водосбора как ее функциональной единицы заронилась осенью 2004 года сразу после лекции Алексея Петровича Стахова об обобщенном принципе Золотого Сечения (Stakhov, 2005). И хотя в курсе общей гидрологии (Богословский et al, 1984) гидросфера рассматривается как единое целое, но прикладные инженерные задачи всегда решаются при граничных условиях изоляции одного или нескольких элементов системы и не существует технического и математического приема рассматривающего любое их количество Понятие же гармонической структуры гидросферы просто вытекает из закона гармонической структуры систем в природе, сформулированном беларусским философом и математиком Э. Сороко в 1984 году, и основанном на понятии и численных выражениях Золотой Пропорции. Закон гласит следующее: «Обобщенные Золотые Сечения суть инварианты, на основе и посредством которых в процессе самоорганизации естественные системы обретают гармоничное строение, стационарный режим существования, структурно-функциональную... устойчивость» (Стахов et al, 2006). В тот момент, осенью 2004, шла интенсивная работа над моделью расчленения стока SimpleBase Delineation ModelTM в процессе подготовки автора к 12-му Всемирному Водному Конгрессу, в которой первоначальное соотношение между базовым и умеренным градиентами, равное 10 (Vedom and Sergeyeva, 2004), срабатывало «нечисто»: далеко не во всех случаях разделительная прямая попадала в нужную точку гидрографа. Экспериментальное введение в модель Золотого Сечения, присутствие которого обосновывалось первоначальным определением водосбора как дренажной функционально- структурной единицы, несравнимо улучшило результат (Vedom, 2005, 2).

Гидросфера являет собой гигантскую сложную природную систему, неотъемлемую часть которой, наряду с водами атмосферы, поверхнострыми и подземными водами представляет биосфера, в частности, растительность, состоящая на 50-99% из воды. В соответствии с определением ее как самоорганизующейся структуроы она должна иметь функцию. Какова же функциональная задача гидросферы? Ответ на этот вопрос дается в томе 31 сборника НАТО из серии «Роль воды в Глобальных переменах» в обобщающей статье М. Берана: дробить и трансформировать поступающую энергию солнца между всеми своими вертикальными и горизонтальными частями и подразделениями, от крошечных временных составляющих в виде живой клетки и неживой молекулы воды до гигантских эко-систем и сфер, сохраняя свое структурное единство и целостность гидросферы (Beran, 1995). Вопрос фунциональной задачи не ставится с статье напрямую, но если читать ее, задавая себе этот вопрос, то статья является прямым на него ответом. Д. Латтенмайер сформулировал очень точно основную задачу гидрологии суши в энергетическом контексте: определение путей перехода поступающей солнечной радиации в импульсы скрытой, cенсорной или почвенной теплоты, а также обратной длинноволновой радиации является более насущной проблемой гидрологии суши, чем просто прогноз стока (Lattenmaier, 1995, p.312). Гидросфера в данном контексте является самоорганизующейся функционально структурированной системой распределения и трансформации энергии солнца, контролирующая колебания результирующей температуры и прозрачность своих структурных границ как по вертикали, так и по горизонтали.

На всей поверхности океана все три фазы воды (жидкая, твердая, парообразная) соприкасаются непосредственно и их необходимая трансформация и межфазовые круговороты в процессе контроля температуры, а лишь жидкая фаза обладает аномально высокой теплоемкостью и играет главную роль в этом процессе (Наберухин, 1996; Варламов, 2002), происходят мгновенно и постоянно в зависимости от конкретного положения Земли относительно солнца. Поглощая избыточную энергию на испарение при приближении к солнцу без пропорционального увеличения температуры, гидросфера выделяет ее при конденсации в процессе удаления от солнца, компенсируя соответствующее падение температуры. На континентах же непрерывный уровень жидкой фазы воды устанавливается в глубине земли в зависимости от топографии и гидро-физических свойств пород и грунтов, и взаимодействия фаз, вызывающие наблюдаемое движение грунтовых вод, далеко не всегда определяется температурными колебаниями (Ingebritsen et al, 2006). На контитентах нужен посредник, осуществляющий динамический контакт между фазами воды, разрушая для этого монолитное единство пород, обеспечивая прежде всего обратную энергоемкую связь в виде испарения между грунтовыми и атмосферными водами по всей континентальной площади. И эту функцию блестяще выполняет континентальная биосфера, в частности растительность и микро-фауна, создавая временные динамические запасы воды на поверхности земли и в почве, тесно связанные с грунтовыми водами через корневую систему и систему собственной терморегуляции. Такой динамический контакт обеспечивает стабильность режима трансформации поступающей на континентальную поверхность энергии во всех ее точках, а это не что иное как стабильный климат, характер которого и зависит от топографических, гидрогеологических и растительных (педологических) особенностей каждого региона, определяя в свою очередь био-физические особенности региональной экосистемы (Beran, 1995). Континентальная растительность имитирует продолжение поверхности океана на континентах, утилизируя поглощаемую и регулируя отражаемую энергию, поддерживая поверхность прохладной, осуществляя обратную связь грунтовых вод с водами атмосферы в каждой точке континентального круговорота воды (Shuttleworth, 1995). Эффективность растений в осуществлении обратной связи характеризует и подтверждает тот факт, что растение потребляет в 1000 раз больше воды, чем ему нужно для наращивания собственной массы (Bouten, 1995). Но елси явление филлотаксиса, или винтовая симметрия в расположении листьев на стебле растений или семян в плотно упакованных ботанических структурах, описывается очень точно определенной выборкой из рядов Фибоначчи, основанных на Золотом Сечении (Стахов et al, 2006; Stakhov, 2006), то, возможно, что и транспирация, как составная часть водного цикла, каким-то образом подчинена «золотой» закономерности?

Растительность, деревья, не только осуществляют терморегулирующую функцию, они еще и «документируют» информацию о том, сколько воды ежегодно, ежемесячно, и даже ежедневно было использовано на свой рост в зависимости от осадков и температуры воздуха (CWRA, 2006; Watson and Luckman, 2006). Древесные кольца успешно используются в палеогидрологии для реконструкции месячных температур и засушливых периодов, создающих благоприятные условия для возникновения лесных пожаров (Girardin et al., 2006); восстановлении количества дождливых дней (Rannie, 2006), месячного стока рек (Beriault and Sauchun, 2006) или уровня озер (Meko, 2006) «до-мониторингового» периода. И это результат частично изолированной подструктуры гидросферы.

Экспериментальной разработке практического метода определения гармонической структуры гидросферы как единого целого в каждой точке земной поверхности а также осредненной по определенному контуру (водосбору), используя Золотое Сечение между структурными составляющими каждого ее элемента и параметра, посвящена данная статья.

формате PDF (392Кб)