Ритмы и циклы окружающей среды

Ритмы и циклы - характерные общие признаки многих природных процессов. В естественных науках - астрономии, биологии, медицине, геологии, геофизике и других - этим понятиям уделялось и уделяется очень большое внимание. (Заметим в скобках, что в сейсмологии и некоторых других разделах геофизики рассмотрение этого вопроса ограничено. Оно касается прежде всего не очень большого круга работ, где обсуждаются сейсмические циклы и возможная приуроченность землетрясений к космическим факторам). Получили развитие такие науки, как биоритмология и хрономедицина.

В 2002 г. под руководством академика Д.В. Рундквиста была проведена конференция на тему о ритмах и циклах в науках о Земле. Во время дискуссий выявилось, что разные исследователи трактуют эти понятия по-разному. Между ритмом и циклом есть сходства и различия. Будем отталкиваться от общепринятых определений и изложим свое понимание вопроса.

Ритм (от греч. rhythmos - такт) - чередование каких-либо элементов временного ряда, происходящее с определенной последовательностью. Этот термин часто применяется наравне с терминами «цикл», «период». Часто ритмические процессы характеризуются синусоидальной формой. Обычно в геофизике термин употребляют применительно к процессам, протекающим в горных породах в том или ином масштабе. Ритм характеризуется частотой или периодом в секундах, годах, миллионах лет. Понятие ритма применяется как к времени, так и к пространству (тогда измеряется в сантиметрах, километрах и т.д.). Существующие природные и социальные процессы в геофизике имеют более или менее ярко выраженную ритмическую составляющую.

Цикл (от греч. kyklos - колесо) - совокупность процессов, составляющая кругооборот в течение известного промежутка времени. Это понятие используется применительно к времени и измеряется в единицах времени. Цикл может быть последовательностью: «зарождение - развитие - апогей -спад - завершение - снова зарождение и т.д.». При этом череда таких последовательностей может не иметь синусоидальной формы. Тем не менее этот термин часто употребляется наравне с терминами «ритм» или «период». В отличие от последних продолжительность циклов может изменяться с течением времени. Совокупность циклов организует ритмичность, если продолжительность каждого цикла одинакова. Внутри каждого цикла могут быть другие, менее продолжительные циклы (или ритмы).

Цикличность - это неоднократное повторение определенного ряда процессов. Цикличность может быть ритмичной и неритмичной. Примеры ритмичной цикличности - суточный и годовой циклы, менее выражен цикл солнечной активности - здесь проявляются малые изменения периодов. Примеры неритмичной цикличности - циклы в численности народонаселения, циклы продолжительности жизни цивилизаций, когда каждый последующий цикл короче предыдущего (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Полицикличная динамика общества. Показаны три исторических суперцикла цивилизаций:
I - древние; II - феодально-капиталистические; III - постиндустриальные. На оси ординат отложены условные номера, обозначающие общества: 1 - неолитическое, 2 - раннеклассовое, 3 - античное, средневековое, 5 - предындустриальное, 6 - индустриальное, 7 и далее - постиндустриальные

Видно, что каждый последующий цикл короче предыдущего. Аналогичный график, по для другого масштаба времени демонстрирует С.П. Капица применительно к изменениям численности народонаселения. В музыке - это такие, построенные в ускоряющемся ритме произведения, как «В пещере горного короля» Э. Грига, «Болеро» М. Равеля. Тут же можно вспомнить и встречу Остапа Бендера с Корейко, где написано следующее. «Происшедшее нарастание улыбок и чувств напоминало рукопись композитора Франца Листа, где на первой странице указано играть "быстро", на второй - "очень быстро", на третьей - "гораздо быстрее", на четвертой - "быстро как только возможно" и все-таки на пятой - "еще быстрее"».

Автор ранее уже приводил пример неритмичной цикличности, взятый из незабываемой книги великого жизнелюба Ф. Рабле. Думаю, что уместно привести его еще раз. «Во время путешествия он (Пантагрюэль) заметил, что французские мили гораздо короче миль других стран, и спросил о причинах и основаниях этого у Панурга, который рассказал ему историю, приведенную монахом Маротусом в «Деяниях королей Канарских».

Монах рассказывает, что в древнее время страны не различались в отношении миль, стадиев и парасангов, пока король Фарамонд не установил этого различия, сделав это следующим образом: он выбрал в Париже сотню прекрасных, изящных и очень смелых молодых кавалеров и столько же прекрасных девушек пикардиек. Каждому из молодых людей он дал по девушке, снабдив деньгами на расходы, и приказал парам отправляться в разные страны, а на том месте, где молодые люди будут ласкать своих девушек, он велел класть камень, что обозначало бы милю.

Посланные пары весело отправились в путь, и, так как они были молоды, здоровы и свободны, они забавлялись довольно часто.

Вот почему французские мили такие короткие.

Но когда, проделав длинную дорогу, они устали, как дьяволы, и когда масла в лампах стало значительно меньше, они уже не так часто останавливались и довольствовались (я говорю про мужчин) каким-нибудь несчастным разочком в день.

Вот почему в Бретани, в Ладах, в Германии и в других отдаленных странах такие длинные мили.

Другие приводят иные объяснения, но это мне представляется наилучшим».

Есть вариации ритмов и в поэзии. Есть они, например, в «Фаусте» И.В. Гете - там смены ритмов использованы для того, чтобы, во-первых, форма лучше соответствовала содержанию, во-вторых, чтобы убрать монотонность и, наконец, в третьих, подчеркнуть смену темы. Их можно найти и у В. Маяковского и других поэтов начала прошлого века. Здесь они приведены, чтобы показать палитру эмоций. Ярче всего, пожалуй, смена ритмов видна в «Опытах по метрике, ритмике и эвфонии» В. Брюсова. Вот как он пишет в стихотворении «Треугольник».

Можно показать пример сочетания ритмической цикличности во времени с неритмической цикличностью в пространстве для одного и того же природного объекта. Его видел каждый человек на древесных спилах. На них хорошо видно, что ширина образующихся каждый год (временная последовательность) годовых колец со старением дерева уменьшается, хотя есть такие аномальные промежутки времени, когда такой картины нет - ширина колец снова начинает увеличиваться, а потом снова уменьшается.

В ряде случаев ритмы, присущие различным процессам, оказываются близкими. Отсюда следует, что существуют процессы, имеющие причинно-следственные связи - либо друг с другом, либо с неким дополнительным, может быть, не всегда известным нам процессом.

Установлено, что для геологических объектов одновременно существует множество ритмов в определенных иерархических соотношениях. Имеет место некая иерархия ритмов, когда каждый ритм отличается от соседнего в 3-5 раз. Однако в этой иерархии лишь небольшая часть ритмов обладает доминирующими амплитудами. Некоторые из ритмов сильно выражены, мы к ним привыкли и считаемся с ними. Это суточный ритм - смена дня и ночи, сезонный - чередование времен года; у человека и животных - частота сердечных сокращений и т.д.

Ярко выражены ритмы и циклы в геологии и геофизике, они находятся в громадном частотном диапазоне - от мегагерц до 10-17. Известны ритмы и в сейсмологии - о них писали И.В. Кириллова, Т.П. Тамразян, В.В. Ламакин и другие. Следует упомянуть о 140-летнем сейсмическом цикле С.А. Федотова. Достаточно сильно выражены ритмы, связанные с земными приливами и солнечной активностью. Однако многие сейсмические и другие ритмы в природных сферах выражены слабо, интерферируют один с другим и обнаруживаются лишь при специальном анализе. Некоторые из ритмов настолько слабы, что многие исследователи оспаривают их существование. При перестройках процессов могут возникать новые доминирующие ритмы, которых не было прежде, а существовавшие до этого ритмы - исчезать. Суперпозиция ритмов обусловливает сложную форму временных рядов.

Имеющиеся материалы позволяют сделать ряд выводов об особенностях реакции различных объектов на внешние воздействия. В частности, это касается реакции людей на воздействия со стороны природной, антропогенной и социальной окружающих сред. Реакция людей и социума может быть следующей: изменения на генном уровне; рост заболеваемости и смертности, сокращение рождаемости и продолжительности жизни; самоубийства; гибель и ущерб от катастроф; войны и другие агрессивные действия, разрушение человеком национальных богатств, производства, сельского хозяйства, науки, культуры.

Обнаружено, что разные контингента больных реагируют на внешние воздействия неодинаково, а реакция одного и того же контингента на повторяющееся воздействие в разное время отличается. Исследования позволяют предположить, что одни контингента больных (так же как и отдельные индивидуумы - не обязательно больные) больше реагируют на изменения солнечной активности, другие - на рост социальной и экономической напряженности, третьи - на различные проявления антропогенной нагрузки.

Ключевая проблема, связанная с экологией и обоснованным природопользованием, - вопрос прогнозирования будущих процессов. Основное препятствие на этом пути - нестационарность исследуемых процессов. Некоторые процессы упорядочены больше, предсказать их будущий ход легче, чем других.