Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

Personal portfolio

RHYTHMICS PEDOGENESIS AND SOLAR ACTIVITY

Лисецкий Ф.Н.
Rhythm of soil-forming processes and solar activity during the second half of the Holocene was considered in the article. Shown that changes in humus soil horizon is associated with astrophysical intervals and within the thousand-year and millennial dimension. Two main variables-periods in the low-periodic changes in natural processes dimensionality 1350-1450 and 600(700)–800 years were identified. Keywords: soil formation, Holocene, humus horizon, solar activity, periodicity, fractals

Разрабатываемые системы адаптированного природопользования должны обеспечить согласованное функционирование природно-хозяйственных систем с полииерархическими временными изменениями природной среды. Иерархический принцип временной организации природных систем помогает отразить понятие фрактала. Ранее [11] установлено, что такие структурные алгоритмы, как фракталы, хорошо описывают помимо формы природных объектов еще и ход естественных циклически повторяющихся процессов. Самоподобие фрактальных объектов, к которым наряду с другими природными системами могут быть отнесены и почвы (структуры почвенного покрова), а также их развитие во времени в широком масштабном ряду периодических процессов (от многолетних до многотысячелетних), проявляется в инвариантности периодичности изменения потенциала почвообразования, реализованного в дифференцированных скоростях формирования гумусового горизонта почв (Н), при любых трансформациях масштаба.

Многолетними почвенно-хронологическими исследованиями автора было охвачено более 150 объектов, из которых большинство - почвы археологических памятников (поселений, курганов, оборонительных валов), датированных в диапазоне от ХХХII в. до н. э. до XI в. н. э.

Погрешности археологических датировок времени окончания жизнедеятельности (поселения) или строительства (валы, курганы) для культур железного века (за счет идентификации клейм на керамической таре, типологии форм амфор, хронологии греческого импорта керамики, а в известной степени и классификации античных монет) составляют 25-50 лет. Различия в этапах культур поздней бронзы по разработанной хронологии металлических изделий и литейных форм, керамики в основном оценивается в 100 лет.

Почвенно-хронологические исследования проводили в нескольких регионах юга Русской равнины (Подунавье, Приднестровье, Побужье, Крым, Краснодарский край). Они включают почвенные подзоны обыкновенных и южных черноземов в степной зоне, а в ее пределах почвенно-климатические фации (Теплая южно-европейская и Умеренно континентальная восточноевропейская), а также сухостепную зону с темно-каштановыми почвами.

Опорные археологические памятники располагались на водоразделах и и очень пологих склонах (до 2°). Выбор новообразованных почв в автоморфных положениях позволил оценить влияние крупных событий климатической истории на формирование зональных почв, при том, что климатические условия в локальных позициях склоновых катен, безусловно, преломлялись, формируя геоморфологическую неоднородность проявления процессов эрозии-почвообразования [10]. Для наиболее полного соответствия условиям зонального почвообразовательного процесса ключевые участки почвенных исследований выбирали с такими растительными ассоциациями, чтобы состав флоры и проективное покрытие соответствовали коренным фитоценозам. Морфологию новообразованных почв изучали до верхней границы культурного слоя в серии широких разрезов.

При моделировании процессов формирования-разрушения почвенного профиля нами был использован комплексный подход, опирающийся на современные методы спектрального оценивания. Особенность этих методов связана с широким использованием модельных представлений об анализируемых процессах, учитывающих свойственные им внутренние связи, которыми пренебрегали в классическом спектральном анализе.

Спектральный и периодограммный анализы временных рядов, отражающих изменение мощности гумусового горизонта черноземов обыкновенных, а также черноземов южных и темно-каштановых почв юга Украины за последние 6000 лет, относительные изменения содержания С14 за последние 5000 лет [7], проведены нами с помощью пакета программ STATGRAPHICS. Обработка временных рядов включала следующие этапы: многоинтервальная аппроксимация дискретного временного ряда с использованием квазикубического сплайна; построение временнóго ряда с равностоящими моментами времени (исходя из ошибки почвенно-археологического метода датирования, шаг дискретизации определен в 50 лет); получение периодограммы и автокорреляционной функции этого ряда.

Для правильной интерпретации результатов важно подчеркнуть, что анализу подвергали процесс, результирующий синхронное проявление двух основных составляющих, диагностируемых функцией Н(t) - мощности гумусового горизонта почв:

H(t) = (V(t) - W(t)), (1)

где V(t) - функция увеличения Н(t) за счет процесса почвообразования; W(t) - функция уменьшения Н(t) под действием пoчвенно-деградационных процессов (водной эрозии, дефляции).

Модель, описывающую изменение мощности гумусового горизонта во времени, можно представить путем синтеза трех моделей:

1. Модель - НТ(t), выявляющая детерминированную тенденцию временного ряда (тренд), - обоснована ранее [4; 8].

2. Модель - ННЧ(t), описывающая тысячелетнюю и внутритысячелетнюю периoдичность (циклы размерностью n⋅102, n ∈ [5; 14]) функций V(t) и W(t), (условно назовем - низкочастотный спектр);

3. Модель - НВЧ(t), отражающая многовековую и вековую периoдичнoсть (циклы размерностью n⋅102, n ∈ [1; 4]), (условно назовем - высокочастотный спектр).

Таким образом, модель формирования гумусового горизонта почв, синтезирующую трендовую компоненту, низко- и высокочастотные спектры, можно представить в следующем виде:

f (2)

при

f

f

Полагаем, что такой подход позволяет учесть мультииерархический характер ритмики природных процессов в географической оболочке.

Анализ более обеспеченной эмпирическими данными кривой изменения мощности гумусового горизонта почв в южной и сухой степи показал, что за последние 6000 лет в тысячелетней и внутритысячелетней периодичности почвообразования выделяются три благоприятные хронозоны, когда мощность гумусового горизонта возрастала на 10-15 см за период, связанный, судя по периодограмме, с циклами размерностью 1350-1450 и 600 (700)-800 лет. По шкале абсолютного времени эти максимумы приурочены к концу IV тысячелетия до н. э. (АТ3), концу III тысячелетия до н. э. (SВ1) и VII в. до н. э. - рубежу эпох бронзы и раннего железа (SВ3). Наиболее существенные периоды снижения мощности гумусового горизонта характеризуют две фазы в эпохе суббореальной аридизации (4,7-4,6 и 3,6-3,3 тыс. л. н.), но помимо этого можно отметить менее значительные минимумы в VIII в. и XIII-ХIV вв. н. э. Анализ совмещенной кривой колебаний мощности гумусового горизонта (без учета онтогенетического тренда) для почв северной, южной и сухой степи на протяжении 6000 лет (рисунок) показал снижение ускорения процесса, т.е. замедление скорости почвообразования во времени. Эта закономерность вполне согласуется с направленностью температурной кривой после 5,5 тыс. лет в Северном полушарии, а также с общим снижением потенциала климата и биоты после климатического оптимума голоцена (6,0-5,5 тыс. л. н.). По аналогии с обработкой временных рядов изменения гумусового горизонта почв проведенное вычленение низкочастотного спектра в солнечной активности [7] подтверждает ранее установленное [9] отрицательное корреляционное сопряжение этих двух процессов. Периодограммным методом в низкочастотной ритмике солнечной активности выявляются два цикла продолжительностью 1230 и 540 лет. Ранее отмечалось [6], что в схеме Дж. Эдди обнаруживается квазипериодическая компонента порядка 500-700 лет, а промежуток времени между соседними максимумами солнечной активности за наиболее достоверный исторический период не превышает 600 лет. Существование 600-летнего цикла солнечной активности обосновывается такой же повторяемостью высоких значений числа комет и дендрохронологическими данными [1], обнаружением периода средней длительностью 554 года при моделировании 11-летних циклов солнечных пятен за период с 648 г. до н. э. [2], а успешное использование 600-летнего цикла в прогностической практике является дополнительным доводом в пользу его существования. Помимо этого, гармоника, соответствующая одной трети длины приливной волны и 1/36 части 20400-летнего цикла прецессии (567 лет), часто обнаруживается в длинных метеорологических, геологических и других рядах [5]. Следует отметить, что известный в гео- и гелиофизике цикл в 540-600 лет, наряду с 90, 180-летними и др., относится к числу «квантованных» циклов, которые, связанные удвоением-утроением при синтезе с основными циклами, в наилучшей степени отвечают вероятностно-динамическим и волномеханическим подходам. Возможно, что и цикл в 1230 (1260 ?) лет является производным (кратным) от «квантованных» циклов, однако вполне допустимое объяснение его идентификации может быть связано с упоминавшейся недостоверностью в схеме Дж. Эдди между «римским» и «средневековым» максимумами (~1200 лет): отсутствием в этом хроноинтервале одного или нескольких подчиненных максимумов, существование которых прогнозируется педохронологическими данными.

pic

Низкочастотные составляющие изменения относительных колебаний
солнечной активности (S, по С14 [7]) - 1 и мощности гумусового горизонта почв степной зоны
(Н) - 2 во времени (t, лет назад)

После снятия трендовой компоненты методом наименьших квадратов, не искажающим в данной задаче спектральные характеристики (по разработанному критерию его применимости), на основе кривой относительных колебаний мощности гумусового горизонта черноземов южных и темно-каштановых почв была получена выборка (при шаге дискретизации в 100 лет) из 59 отсчетов. Ее статистическая обработка показала, что на основе значений 4-го центрального момента и дисперсии расчетная величина контрэксцесса приводит к выводу о близости закона распределения величин ННЧ к нормальному. Это позволило для аппроксимации низкочастотных квазипериодических колебаний мощности гумусового горизонта использовать классический метод спектрального оценивания - преобразование Фурье:

f (3)

где ННЧ - относительные колебания мощности гумусового горизонта, мм; τ - временные отсчеты, изменяющиеся от 0 (6000 лет назад) с приростом 2π/59 на каждый шаг вплоть до 116p/59 (200 л. н.), они задаются по выражению τ = 0,1065(60 - 0,01t), где t - даты по шкале абсолютного времени, годы; Аk и fk - амплитуда и фаза гармоники k: A1 = 93,34, A2 = 19,26, A3 = 42,81, A4 = 40,20, f1 = -1,5б, f2 = 0,16, f3 = -2,89, f4 = 1,57. Сопоставление фактических уровней временнóго ряда c расчетными для гармоники 4-го порядка показало, что по критерию Стьюдента на 1 %-м уровне значимости разность несущественна, а теснота связи значений эмпирической и аппроксимирующей функций составила 0,88. Заметим, что использование модели (3) для описания длиннопериодических изменений вполне оправдано, так как классические методы наиболее структурно устойчивы в смысле спектральных оценок при определении существенных значений функции в условиях корреляционных сдвигов, изменяющихся от 0 до некоторого максимального значения.

Внутрирядная связь во временнóм ряду без каких-либо внешних факторов может обеспечить различные циклы. Учитывая сложность такого явления, как солнечная активность, и разнообразие характеристик, отражающих отдельные стороны его проявления, логично предположить, что выбор наиболее предпочтительных экзогенных показателей должен обусловливаться иерархическим уровнем анализируемых циклов. В этой связи отметим, что использование как внешнего фактора реконструированной в схеме Эдди многовековой периодичности солнечной активности по преимущественно косвенному признаку (предиктору) - удельной активности радиоуглерода С14 в подсистеме атмосфера-биосфера - имеет как свои достоинства (снимается неопределенность в выборе интегрального показателя уровня солнечной активности), так и недостатки (зависимость С14 от динамики геомагнитного поля и др.).

Низкочастотная компонента в изменении солнечной активности за последние 5000 лет может быть аппроксимирована моделью вида (3). При этом получены следующие значения амплитуд (Аk) и фаз (fk) гармоник k: А1 = 6,35, А2 = 6,10, А3 = 0,98, А4 = 4,29; f1 = 1,57, f2 = -0,93, f3 = -1,67, f4 = -1,86. Временные отсчеты (t) изменяются от 0 (5000 л.н.) с приростом 2π/49 на каждый шаг вплоть до 96π/49 (200 л.н.) и задаются по выражению τ = 0,128 (50 - 0,01t), где t - даты по шкале абсолютного времени, годы.

Таким образом, периодический характер проявления почвообразовательного процесса делает целесообразным дополнение трендовой составляющей процесса формирования гумусового горизонта [4] моделью, описывающей низкочастотный спектр классическими методами спектрального оценивания, а также моделью, характеризующей высокочастотный спектр (параметрической моделью авторегрессии-скользящего среднего) [3].

Исследованием временных рядов изменения мощности почв с помощью периодограммного метода, показывающего распределение дисперсии ряда между разными гармоническими компонентами, установлено существование двух основных периодов в низкочастотной области размерностью 1350-1450 и 600(700)-800 лет, а также 12 периодов продолжительностью от 100 до 500 лет: 446, 387, 341, 290, 252, 215, 187, 176, 153, 141, 121, 104 года. Хотя использование сверхвековых периодов развития геосферы пока не имеет практического применения для долговременных программ адаптивного природопользования, горизонт планирования которых не превышает 100 лет, но без них нельзя рассчитать фрактальную размерность ритмики природных процессов.

Список литературы

  1. Веклич М.Ф. Проблемы палеоклиматологии. - Киев: Наук. думка, 1987. - 192 с.
  2. Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. - Л.: Наука, 1973. - 257 с.
  3. Лисецкий Ф.Н. Модели управления почвенными ресурсами // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Информатика и прикладная математика. - 2006. - № 1(21), Вып. 2. - С. 41-49.
  4. Лисецкий Ф.Н. Модель трендовой составляющей голоценового почвообразования // Доклады АН Украины. Математика, естествознание, технические науки. - 1994. - № 11. - С. 149-152.
  5. Фейрбридж Р.У. Сходимость данных об изменениях климата и об эпохах оледенения // Солнечная активность и изменения климата. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - С. 270-315.
  6. Шугрин С.М., Обут А.М. Солнечная активность и биосфера. - Новосибирск: Наука, 1986. - 128 с.
  7. Eddy J.A. The case of the missing sunsports // Scientific American. - 1977. - Vol. 236, № 5. - P. 80-88.
  8. Goleusov P., Lisetskii F. Soil development in anthropogenically disturbed forest-steppe landscapes // Eurasian Soil Science. - 2008. - Vol. 41, № 13. - Р. 1480-1486.
  9. Ivanov I.V., Lisetskii F. N. Ultracentennial periodicity of solar activity and soil formation // Biophysics. - 1995. - Vol. 40, № 4. - P. 903-908.
  10. Lisetskii F.N. Soil catenas in archeological landscapes // Eurasian Soil Science. - 1999. - Vol. 32, № 10. - P. 1084-1093.
  11. Shapir Y., Raychaudhuri S., Foster D., Jorne J. Scaling behavior of cyclical surface growth // Physical Review Growth. - 2000. - Vol. 84, № 14. - P. 3029-3032.