Факультет

Студентам

Посетителям

Геометрические структуры почвенно-геологических тел

Наша задача — показать, что между реальными почвенно-геологическими и абстрактными математическими структурами можно обнаружить тесную связь.

Эта связь обосновывается посредством применения аппарата теории симметрии. При этом должны быть выполнены следующие требования: 1) абстрагирование реального почвенного объекта до геометрического образа; 2) установление в нем наиболее устойчивых геометрических элементов, которые принимаются за существенные свойства почвенной модели — точки, плоскости, оси; 3) выявление различных движений (перестановок, вращений, отражений) относительно указанных выше устойчивых элементов: точки, плоскости, оси. Эти три пункта строго учитываются в дальнейшем изложении.

Геометрические структуры почвенно-геологических тел можно представить как формальные системы, которые имеют следующий аппарат познания:

I. Язык учения о геосистемах (анализ, почвоведение вещества), включающий: а) строительные конструкции — элементарные символы, или вспомогательные образы: точку С, линию L, плоскость Р; б) алфавит — элементарные формы: квадрат, ромб, прямоугольник, шестиугольник, окружность, которые создаются с помощью вспомогательных образов и операций движения.

II. Аксиомы учения о геосистемах — исходные предложения, определяющие основные элементы и связи системы, принимаемые в силу их очевидности; устанавливаются строгими экспериментами.

III. Правила преобразований элементов в учении о структурах геосистем (синтез, структурное почвоведение). По ним при помощи движений из элементарных форм образуется та или иная упорядоченная совокупность структур в рамках единой целостной системы (для любых уровней организации: от макро — до микроскопических), называемая множеством.

Заданием языка, аксиом и правил формальная геосистема определяется как геометрический объект, который изучается специальным разделом почвоведения — морфологией почв. Общее почвоведение через морфологию почв осуществляет переход на абстрактно-теоретический уровень, в котором идеализированный мир почвенных форм сохранится неизменным при проведении движений — операций симметрии, причем для каждой почвенной теории окажется специфичным свой тип движения.

Множеством в науках о Земле можно назвать горные породы, почвы, ландшафты, если представить эти сложные объекты в виде совокупности простых составляющих, объединенных некоторым общим признаком и воспринимаемых как целое. Например, элементарные единицы множеств в геологии — это минералы; в почвоведении — горизонты, профили, ареалы; в кристаллографии — точки, оси, плоскости.

Если формы почв и горных пород представить в виде геометрических образов, состоящих из множеств: точек, линий, плоскостей, как это сделали кристаллографы, изучая реальные кристаллы, то на множестве таких элементов можно задать отношения и операции. Например, операции вращения, отражения, а также умножение, прибавление, вычитание.

Модель W определяет язык на базе алфавита. Подобный лингвистический подход к построению науки известен давно. Так, Галилей писал, что природу нельзя изучать, «не научившись сперва понимать язык и различать знаки, которыми она написана. Написана же она языком математическим, и знаки ее суть треугольники, круги и другие математические фигуры» (1934, с. 25). В справедливости слов Галилея легко убедиться, взглянув на аэрофотоснимки. На них запечатлена еще не тронутая человеком структурная упорядоченность почвенных ареалов северных и южных территорий нашей планеты. Диаметр каждой элементарной ячейки на фотографии 40—60 м, в совокупности они образуют многокилометровые поверхности, фрагменты которых представлены на рисунке.

Эту на первый взгляд сложную мозаику почв можно все же расчленить. Для этого сначала надо выделить первичные структурные единицы — клетки или ячейки. Они, как видно на снимках, состоят из прямоугольников, косоугольников, квадратов, шестиугольников, окружностей. Это и есть буквы алфавита почвенных форм. Пока нам известны не все буквы. Но когда их изучат по всей Земле, можно будет составлять из «букв» слова и читать тексты (сочетания букв-форм), написанные природой. Тем не менее даже при имеющемся скудном знании об элементарных формах попробуем показать на конкретном материале, как это можно сделать.

Каждая элементарная почвенная клетка располагается по отношению к соседней клетке на разных снимках неодинаково. Сочетаясь определенным способом, клетки каждого снимка создают разнородные и более сложные целостные формы почвенного покрова — множества, или слова,— прямолинейные и криволинейные ряды клеток. Совокупность этих рядов-слов образует единичную целостную структуру почвенного покрова, которую можно назвать текстом. Показаны различные виды почвенных «текстов», или систем почвенного покрова, именуемых также педосистемами.

Тексты, или системы земной поверхности, устанавливаются в результате операций симметрии — движений клеток вверх, вниз, влево, вправо, т. е. путем перестановок, вращений, отражений от зеркальной поверхности и других преобразований. Если на первом этапе изучения мы провели анализ, т. е. мысленно разложили почвенный покров на составные части — клетки, то теперь при помощи операций симметрии (движений) производим синтез, «собрание» клеток в целое, мысленно воссоздаем единство почвенной системы.

Представим множество различных движений какой-либо одной клеткой. Такой перевод клетки «в себя» и служит характеристикой ее симметрии. Чем больше такое множество самосовмещений, тем симметричнее клетки и включающие их почвенные системы. Однако многие из них описываются небольшим числом движений: по окружности и вдоль радиуса — два вида движений или одно-единственное вдоль особенной оси — бордюра. Существуют асимметричные системы, имеющие особый вид преобразований — тождественное, которое оставляет элементарную почвенную ячейку и систему в целом без изменений.

Множество движений, которое обнаруживается, можно назвать группой симметрии, так как они могут быть выполнены по определенным правилам (композициям). Существует разработанная на математической основе специальная теория симметрии, которую называют теорией групп преобразований, или просто теорией групп.

Рассмотрим геометрические закономерности структур почвенного покрова. Он будет построен геометрически правильно, или закономерно, если его можно разделить без остатка на равные части относительно некоторого геометрического признака. Шестиугольную мерзлотную почву можно разделить на шесть геометрически равных фигур. Полуокружность также правильна, так как она составлена из концентрически расположенных прямоугольников, удаленных на равные расстояния от центра. Архимедова спираль — геометрически правильная фигура, поскольку расстояние каждого полигона спирали от исходной точки пропорционально углу, образуемому радиус-вектором r с начальной осью, т. е. r=аф. Полигоны и спирали равны друг другу в том смысле, что для каждого из них отношение r/ф всегда имеет одно и то же значение а, обусловливающее периодическую повторяемость форм.

Вот таким образом шаг за шагом можно научиться, следуя заветам Галилея, «различать знаки», которыми записана природа почв, и «понимать ее язык». Мы уже уяснили, что языком множества для почв является структура. Почвы как множества (или как системы) обладают своим, характерным только для них языком, своей структурой. Язык этот пока малопонятен, ибо ученые только приступили к его расшифровке на абстрактном уровне. Новый этап почвенных исследований будет связан с геометризацией почвенной науки, с молодым поколением ученых, владеющих методами физики и математики.

Желающим глубже изучить природу форм следует прочесть книгу о структуре почвенного покрова В. М. Фридланда (1972), а также книги: И. И. Шафрановского «Симметрия в природе» (1968; 1985),

A. В. Шубникова, В. А. Копцика «Симметрия в науке и искусстве» (1972), Ю. А. Урманцева «Симметрия природы и природа симметрии» (1974), Л. В. Тарасова «Этот удивительно симметричный мир» (1982), B. Бунге «Теоретическая география» (1967).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: