Текст книги "Азбука рисунков природы"

Автор книги: Сергей Зимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

Орнамент из точек

Рисунки этого раздела идеализировано можно представить в виде точек, расположенных на плоскости. Это сурчины в степи, муравейники в лесу, вулканы на дне океанов и т. п. Элементы всех этих рисунков возникают там, где значения соответствующего потенциала достигают порогового уровня. В одномерном случае пространственное распределение пороговой и потенциальной функций мы графически выражали в виде линии. В двухмерном же случае эти функции можно представить некоторыми поверхностями, рельефами, у которых высотные отметки соответствуют значениям этих функций. При воздымании потенциального рельефа в какой-то момент он упрется в пороговый рельеф. В этой точке выполнится условие Е = Р и появится первый элемент. В сложных случаях это могут быть сильно расчлененные рельефы с множеством острых вершин, гребней, впадин. В этом случае процессы самоорганизации не проявятся. Здесь появление большинства элементов будет определено максимумами потенциальной функции (вершинами ее рельефа) и (или) минимумами пороговой (ее впадинами). Поэтому будем рассматривать относительно простые внешние условия – малорасчлененные рельефы. Простейший случай – это две горизонтальные плоскости, одна из которых (потенциальная) поднимается, приближаясь к пороговой. В такой ситуации заложение первого элемента может произойти равновероятно в любом месте рассматриваемого пространства, везде одновременно выполнится условие Е = Р.

Рис. 34

Рис. 35

Рис. 36

Примем, что появление элемента мгновенно изменяет (разгружает) потенциальную функцию и в ее рельефе возникает впадина в виде перевернутого конуса радиусом r, т. е. зона разгрузки имеет конечные размеры и ее величина уменьшается при удалении от структурного элемента линейно. Вслед за первым элементом в случайных местах за пределами зон разгрузки будут возникать и другие структурные элементы, и в скором времени все пространство будет перекрыто их зонами разгрузки. В итоге сформируется структура, подобная изображенной на рис. 34. Расстояние между любым ее элементом и ближайшим соседним будет везде больше r, но меньше √3r.

Рельеф поверхности потенциальной функции после ее разгрузки структурными элементами станет сильно расчлененным, появится множество острых вершин, соединенных седлообразными гребнями. Причем вершины будут расположены на одинаковом расстоянии от трех ближайших структурных элементов – в центре условно соединяющего их треугольника (рис. 35). При наращивании значений потенциальной функции, т. е. при воздымании рельефа потенциальной поверхности, эти вершины будут последовательно достигать порогового уровня, и в этих точках произойдет заложение структурных элементов второй генерации. Мы видим, что и в двухмерном случае элементы новой генерации закладываются на равном расстоянии от элементов предыдущей генерации – в элементарных ячейках малоупорядоченной первой генерации появляется строгая упорядоченность.

Теперь при тех же условиях зададим, что разгрузка потенциальной функции вблизи структурного элемента неравномерна по направлениям, т. е. основание конуса разгрузки не круг, а эллипс, длинная ось которого ориентирована, допустим, вдоль пространственной координаты x, а короткая – y (рис. 36). Тогда в образовавшейся структуре расстояние между соседними элементами в направлении x будет варьировать от r_x до 2r_x, а в направлении y – от r_y до 2r_y.

Можно задать и более сложную зону разгрузки, например такую, какая изображена на рис. 37. В этом случае расстояние между элементами в каком-либо направлении xy будет варьировать от r'_xy до r'_xyy + r''_xy.

Зададим новые условия: пороговый рельеф также плоский и горизонтальный, а потенциальный имеет гребень, по обе стороны от которого высота рельефа линейно убывает. Основание конуса разгрузки, как и в первых примерах, примем в виде круга. Примем, что линия гребня горизонтальна. Тогда при равномерном воздымании потенциального рельефа этот гребень одновременно на всем своем протяжении достигнет пороговой поверхности и на нем возникнут элементы. Этот этап, по сути, – ранее рассмотренная одномерная задача, в которой, как помним, структурные элементы на гребне располагались один от другого на расстоянии от r до 2r. После их заложения на потенциальном рельефе вместо гребня образуется цепочка углублений, окруженная симметричными извилистыми гребнями с острыми вершинами (рис. 38). Чем дальше один от другого расположены соседние структурные элементы, тем выше образовавшиеся при этом вершины и тем ближе они расположены к линии первоначального гребня.

Рис. 37

Рис. 38

Рис. 39

При воздымании потенциального рельефа на месте этих вершин будут образовываться ряды новых элементов. Все они будут равноудалены от двух ближайших первоначальных элементов на расстояние r. Видим, что появление смещающейся границы обусловило упорядоченность в направлении ее смещения. Расстояние между соседними новыми элементами – расстояние в направлении простирания первоначального гребня – выдержанным не будет, оно может измениться от r до 2r, в этом направлении смещения границы не было. Если первоначальные элементы на оси гребня расположены относительно плотно, то и новые структурные элементы на этом участке будут в направлении гребня плотно упакованы (см. рис. 38). Если соединить отрезками элементы, то получится множество равнобедренных треугольников, заметно ориентированных вдоль оси гребня, т. е. неплотная упаковка первоначальных элементов на гребне сказывается на рисунке – он в этом районе разуплотнен в этом направлении и соответственно переуплотнен в перпендикулярном.

На первый взгляд может представиться, что структура, образовавшаяся при симметричном относительно гребня наращивании значений потенциальной функции, будет также симметричной. На многих участках в окружении оси гребня это действительно будет так. Это позволяет при дешифровке структуры выделять первоначальную ось. Однако если расстояние между структурными элементами, лежащими на оси гребня, где-то будет больше √3r, то расстояние между двумя симметричными вершинами, появившимися между этими элементами, будет меньше r, и поэтому при возникновении на одной из этих вершин элемента другая вершина, лежащая по другую сторону гребня, попадает в зону разгрузки этого элемента и исчезает; в результате симметричный рисунок на этом участке появиться не может.

Теперь представим такую ситуацию: структурные элементы на оси гребня по какой-либо причине расположились на одинаковом расстоянии, допустим через интервал 3/2r (рис. 39). В этом случае равномерное наращивание значений потенциальной функции приведет к образованию строго упорядоченной структуры, у которой расстояние между элементами в направлении вдоль гребня будет везде равно 3/2r (см. рис. 39).

Зададим новый рельеф потенциальной функции. Пусть также будет протяженный гребень, но на нем есть вершина, при удалении от которой отметки гребня линейно снижаются. Этот рельеф в виде изолиний отражен на рис. 40, а. Сечение принятого рельефа имеет очертания ромба, т. е. перпендикулярно гребню идет второй менее выраженный гребень.

При воздымании рельефа первый элемент возникнет на вершине гребня. После разгрузки этой зоны на гребне появятся две новые вершины, равноудаленные от первоначальной на расстояние r, здесь и появятся новые элементы. В свою очередь, рядом с ними на гребне появятся новые максимумы. В итоге на бывшем гребне возникнет цепочка элементов, окруженная новыми извилистыми гребнями с острыми вершинами (см. рис. 40, б). Эти вершины, в свою очередь, также достигнут порогового уровня, и вдоль первой цепочки начнут разрастаться две новые цепочки элементов (см. рис. 40, в). В результате со временем появится строго периодичная пространственная структура, у которой элементы расположатся в вершинах равносторонних треугольников (см. рис. 40, г). Соответственно гребни потенциального рельефа составят правильную шестиугольную сеть, в узлах которой будут расположены вершины расчлененной потенциальной поверхности (рис. 41). При дальнейшем воздымании потенциально-порогового рельефа в этих вершинах произойдет заложение элементов новой генерации.

Рис. 40

Теперь при тех же условиях примем, что второй гребень хорошо выражен (рис. 42), т. е. диагонали ромба сечений рельефа сравнимы. После заложения в вершине потенциального рельефа структурного элемента в рельефе, как на основном гребне, так и на перпендикулярном ему, появятся по два максимума. На основном гребне их отметки будут выше, здесь и возникнут два новых структурных элемента.

После этого на основном гребне вновь появятся два максимума (см. рис. 42, 6 и 7), но, как это видно из рисунка, их высота будет меньше, чем высота вершин, обозначенных цифрами 4 и 5. Поэтому новые элементы появятся в точках 4 и 5. В итоге, в отличие от предыдущего примера, где второй гребень был не выражен, появляется крестообразное взаиморасположение элементов. Дальнейшее наращивание значений потенциальной функции приведет к формированию строго упорядоченной структуры, элементы которой будут лежать в вершине квадратов со стороной r. Мы видим, что при качественно одинаковых условиях в двух последних примерах сформировались различные рисунки. Критический угол ромба, который определяет тот или иной тип структуры, равен 30°.

Рис. 41

Рис. 42

Теперь рассмотрим ситуацию, когда сечения потенциального рельефа представляют собой правильные окружности. Например, рельеф представляет собой пологий правильный конус. После заложения в его вершине первого структурного элемента в рельефе сформируется одновысотный кольцевой гребень (рис. 43). Новые элементы равновероятно могут возникать в любом месте этого гребня. Их здесь при случайном заложении может возникнуть четыре—шесть (возможный вариант с тремя элементами тут же достраивается до шести). Как видно из рис. 43, варианты с первоначальными четырьмя—пятью элементами даже при симметричном расположении в итоге не приводят к формированию строго упорядоченных структур. Лишь в направлении смещения границы структурообразования между соседними элементами расстояние выдержано и равно r. Обратим внимание на то, что если по склону холма спускается небольшой гребень, то он подчеркивается цепочкой точек (рис. 44). При рассмотренных условиях с центрально-симметричным холмом полное взаимоупорядочение рисунка происходит лишь при заложении на гребне шести элементов. Но при случайном возникновении элемента эта предельно плотная упаковка маловероятна. Однако такая ситуация возникает закономерно при отсутствии центральной симметрии потенциального рельефа (при снижении степени его симметрии) (рис. 45). В этом случае при заложении первого элемента в потенциальном рельефе возникнет кольцевой хребет, у которого в какой-то части (там, где изолинии потенциального рельефа разрежены) будет наблюдаться максимальная высота рельефа. В этой точке и произойдет заложение второго структурного элемента. После этого две новые вершины потенциального рельефа возникнут на первоначальном кольцевом гребне в точках его пересечения границей разгрузки второго элемента. Так же, в свою очередь, на этом гребне на расстоянии r от предыдущего возникнут и другие элементы (см. рис. 45).

Рис. 43

Рис. 44

Рис. 45

Эту ситуацию можно рассматривать как смещение границы структурообразования одновременно и вдоль, и поперек склона. В итоге элементы будут строго взаимоупорядочены. Отметим, что для появления этого рисунка достаточно нарушить центральную симметрию лишь на самой вершине. Как только сформируется первый ряд из шести точек, дальнейшее развитие структуры определено.

Можно задать ситуацию с изменением размеров зоны разгрузки в пространстве. На рис. 46 показано развитие структуры при симметричном конусе потенциального рельефа в случае, когда радиус зоны разгрузки равен расстоянию до первого элемента, т. е. он закономерно увеличивается при удалении от центра структуры. Положение четырех точек на границе зоны разгрузки первого элемента задано симметрично. Остальные элементы при воздымании потенциального рельефа сами появляются в строго упорядоченных местах – если соединить одновозрастные точки, то получим серию вписанных квадратов.

Рис. 46

Мы рассмотрели ряд примеров и видим, что для появления на больших пространствах строгой упорядоченности элементов необходимо отсутствие у элементов «выбора» точки возникновения. Она должна однозначно задаваться геометрией рельефов и зон разгрузки, т. е. в порогово-потенциальном рельефе на околонулевых отметках не должно быть равновысотных плато, гребней или нескольких рядом расположенных равновысотных максимумов, т. е. в однородных внешних условиях упорядоченность не появляется. Нет уверенности, что в такой ситуации она появится и в случае саморазвития элементов, когда вместе с разгрузкой потенциала вокруг элемента происходит снижение отметок порога и появляется кольцевой гребень порогово-потенциального рельефа. На этом гребне условия для заложения новых элементов будут равновероятны, и они здесь могут появиться случайно, неупорядоченно.

А теперь, оставив скучные абстракции, обратимся к конкретным рисункам и покажем, как среди хаоса можно обнаружить порядок.

Порядок в лесу

Есть ли порядок во взаиморасположении деревьев в лесу?

Но вначале давайте подберем абстрактную схему для описания леса. Его элементы – деревья – в виде проростков появляются при определенных условиях из семян, а их ветер рассыпает по почве случайным образом. Но, распуская листья и корни, растения перехватывают (разгружают) необходимые им ресурсы – свет и влагу. В условиях острой конкуренции за эти ресурсы из множества проростков лишь немногие становятся деревьями.

Рис. 47

В спелом лесу кроны деревьев приблизительно одного размера, значит, близок размер их зоны разгрузки. Мы уже отмечали, что в максимальной степени разгрузка потенциала происходит при регулярном расположении элементов. Это справедливо и для деревьев. Поэтому в садах их высаживают через равные промежутки, что позволяет в наибольшей степени использовать ресурсы света. Можно предположить, что и в лесу должен наблюдаться пространственный ритм, расстояние между деревьями должно быть выдержанным. Некоторые исследователи пытались этот ритм найти. Для этого измерялось расстояние между множеством соседних деревьев. Но после статистической обработки ритм не обнаруживался. Значит, он подавлен случайными процессами? А может быть, что-то не учтено? Давайте поищем порядок в лесу. На рис. 47—54 вы видите выполненные с помощью теодолитной съемки схемы участков хвойного леса. Порядок не заметен: расстояния между отдельными деревьями и их куртинами не выдержаны, скопления и группировки деревьев изометричны. Но не будем торопиться с выводами, а обратимся к теории.

Рис. 48

Что для деревьев является потенциальной функцией и какова закономерность ее разгрузки? В засушливых областях в первую очередь это почвенная влага. Она разгружается корневой системой. В большинстве случаев зона разгрузки корневой системы проста, ее можно принять радиально-симметричной. В условиях достаточного увлажнения важнейший ресурс – солнечный свет. В этом случае зона разгрузки явно не радиально-симметричная. Она должна иметь сложные очертания и зависеть от широты и времени года. В средних широтах Северного полушария к северу от дерева разгрузка наиболее сильная, так как дерево перехватывает наиболее мощный поток полуденного излучения, но тень в полдень короткая, и протяженность зоны разгрузки в этом направлении наименьшая. При восточном и западном положении солнца поток излучения, падающий на поверхность, меньше, но деревья, отбрасывая длинные тени, разгружают большие пространства. На экваторе в летний полдень дерево затеняет пространство лишь вокруг ствола, а за полярным кругом тень от дерева вращается вокруг него, описывая эллипс. На склонах суммарная проекция тени будет зависеть от их крутизны и экспозиции. На крутых северных склонах появятся длинные полуденные тени. А на восточных утренние станут короткими.

Рис. 49

Рис. 50

Для того чтобы точно рассчитать характерную зону разгрузки дерева, кроме этого необходимо учесть конфигурацию кроны, учесть и просуммировать изменение затененности в течение сезона, это надо сделать с учетом распределения облачности. Для каждой конкретной породы деревьев надо знать потребность в свете внутри сезона и в различное время суток. Например, у многих видов деревьев резко снижается активность фотосинтеза в полуденные часы, поэтому полуденная тень соседа для них не опасна. Как видим, зона разгрузки деревьев может иметь очень сложную конфигурацию, и, просто замеряя расстояние между ними, пространственный ритм, связанный с такой разгрузкой, не выявить. Необходим более совершенный метод.

Рис. 51

Возьмем прозрачную пластиковую пленку и начертим на ней круг. Отметим на нем центр и наложим его на одну из точек на плане лесного массива. После этого на круг в виде точек переведем или переколем все другие точки плана, попадающие в круг. Затем центр круга, сохраняя ориентировку его осей относительно сторон света, переместим в другую точку и вновь все точки плана, попадающие в круг, нанесем на круг. Эту операцию повторим для всех точек плана (деревьев). В итоге прозрачный круг окажется покрытым множеством точек. Встав в центр этого круга, вы почувствуете себя «среднестатистическим деревом». Если в каком-то направлении и на каком-то расстоянии от центра круга выявилось большое скопление точек или, наоборот, разреженный участок, то это значит, что на этом расстоянии в этом направлении от большинства деревьев расположено другое дерево или, наоборот, деревья отсутствуют. Отметим, что поле точек, возникающее на круге, должно быть симметрично относительно его центра. Поясним это. Выделим на плане две точки А и Б. Поместим центр круга в точку А и нанесем на план точку Б. Пусть она расположена в 5 м к северо-западу от точки А. После этого помещаем центр круга, сохраняя его ориентировку, в точку Б и переносим на него точку А. Она, естественно, расположится от центра круга в 5 м к юго-востоку, т. е. две появившиеся на круге точки расположены симметрично относительно его центра. То же произойдет со всеми другими точками, за исключением точек, расположенных у края плана.

Рис. 52

Рис. 53

Рис. 54

Для количественной оценки плотности точек в пределах круга можно провести следующую процедуру. Расчертим круг квадратной сеткой, после чего подсчитаем число точек, попавших в каждый квадрат. Затем для симметричных относительно центра круга пар квадратов определим среднюю величину (число точек в них должно быть одинаково, но из-за большого числа «спорных» точек, попадающих на границу квадратов, возникают расхождения). После этого проведем скользящее осреднение по четырем рядом расположенным квадратам и уже по этим значениям путем интерполяции проведем изолинии плотности точек.

По этой методике были построены структурные схемы для восьми участков леса. Пять из них (рис. 47—51) расположены на склонах разной крутизны и экспозиции в районе хр. Мяо-Чан (бассейн Амура), 51° с. ш. Диаметр круга на местности соответствовал 15 м, шаг квадратной сетки – 0,75 м. Шаг маловат, тем не менее на четырех схемах виден ритм с шагом 2—3 м. На первых трех склонах южной экспозиции (рис. 47—49) видно преимущественное взаиморасположение деревьев в направлении запад—восток. А на рис. 50, 51 выделяется упорядоченность в «диагональных» направлениях по отношению к сторонам света.

Три других участка – это лиственничный лес на полого наклоненной к югу поверхности в низовьях р. Колымы (69° с. ш.). При этом участок, изображенный на рис. 53, – часть участка, изображенного на рис. 52, а третий участок (рис. 54) примыкает к нему с запада. Диаметр круга на рис. 52 и 53 в масштабе местности равен 40 м, на рис. 54 – 30 м. Шаг квадратной сетки для этих схем – 1 м.

При общем взгляде на эти структуры более заметна упорядоченность в «диагональных» направлениях по отношению к сторонам света. Здесь виден пространственный ритм. Так, на рис. 54 видно, что на линии, проходящей через центр в направлении северо-запад – юго-восток, максимумы и минимумы чередуются через 5 м. С тем же ритмом чередуются они и в направлении северо-восток – юго-запад. На рис. 53 можно даже попытаться выделить решетку, в которую упакованы максимумы и минимумы. Например, центр структуры в направлении северо-восток – юго-запад пересекает гребень, на котором через равные интервалы расположены девять максимумов также через 5 м (центр рисунка – это максимум, сюда попали все точки плана). Параллельно этому гребню по обе стороны от него на расстоянии порядка 6 и 12 м также выделяются гребни. Эти гребни разделены полосами минимумов. Соответственно многократное ритмичное чередование максимумов и минимумов наблюдается и вкрест этим гребням. Ритмичность проявилась и на рис. 52. Плотное скопление молодых деревьев в западной части участка ее не затушевало.

Интересно, а как упакованы деревья в тропическом лесу? Наверно, в направлении север—юг они стоят друг к другу ближе.

Мы уже отмечали, что угадать зону разгрузки деревьев трудно, но ее можно измерить в лесу, и тогда для каждой породы, для каждой широты и экспозиции склона можно выбрать оптимальное взаиморасположение деревьев, при котором ресурс освещенности территории будет использован в наибольшей степени, т. е. можно предложить оптимальную мозаику лесопосадок, фруктовых садов.