К столетию Саратовского университета

Всероссийская научная школа для молодежи

Нелинейные феномены, хаос, критические

явления и методы их исследования с помощью

вейвлетного, кластерного и спектрального

анализа в геоэкологических процессах

Аналитический обзор результатов Школы

С 6 по 12 октября 2009 года в Государственном образовательном учреждении высшего

профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» в рамках реализации Федеральной целевой программы (ФЦП) «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы проходила Всероссийская научная школа-конференция для молодежи «Нелинейные феномены, хаос, критические явления и методы их исследования с помощью вейвлетного, кластерного и спектрального анализа в геоэкологических процессах». Проведение Школы было приурочено столетнему юбилею Саратовского государственного университета, который состоялся в этом году.

Целью школы-конференции являлось эффективное освоение молодыми учёными лучших научно-методических отечественных и мировых достижений в области геологии, географии и геоэкологии; обучение методологии и инструментам анализа нелинейных явлений; создание условий для проведения междисциплинарных исследований на стыке наук

о Земле, экологии и нелинейной динамики.

Школа была организована таким образом, что её могли посещать как специально отобранные слушатели Школы, так и все заинтересованные лица студенты, аспиранты, молодые учёные и сотрудники Саратовского университета, сотрудники других вузов и исследовательских институтов Саратова и других городов, сотрудники инновационных компаний, а также все заинтересованные в данной тематике лица.

В рамках прошедшей Школы молодые исследователи имели возможность прослушать лекции учёных, специализирующихся в области тематики Школы, по наиболее актуальным вопросам в геоэкологии, науке о Земле и нелинейной динамики. Программа Школы К столетию Саратовского университета предполагала также проведение комплекса мероприятий, связанных со стажировкой молодых исследователей слушателей Школы. В рамках стажировки молодые учёные кроме посещения лекций участвовали в научно-практических семинарах, направленных на закрепление полученных на Школе знаний и навыков, в круглом столе, а также в полевом семинаре. Данные мероприятия, помимо обучающей цели, выполняли функцию объективного инструмента анализа эффективности усвоения молодыми исследователями представленных на школе достижений мировых и российских учёных в области нелинейной динамики и наук о Земле. По завершении лекционной программы Школы проводилась защита научнопрактических работ молодых участников Школы, а также заслушивались научные доклады молодых участников Школы. Лучшие из работ вошли в электронный сборник материалов Школы на DVD-диске, а также были размещены на Интернет-сайте Школы.

Актуальность тематики Школы связана с всё возрастающей ролью нелинейной динамики, как междисциплинарного научного инструмента познания изучающего сложные системы как совокупность простых элементов и описывающего закономерности строения составных элементов системы (подсистем), их взаимосвязь, а также функционирование и эволюцию этих подсистем как единого целого (как сложной составной системы). В последние десятилетия идеи и методы нелинейной динамики активно проникают в различные области знаний. Не исключением здесь являются и науки о Земле геология, география, геоэкология.

Основная цель организации и проведения научной школы для молодежи заключается в вовлечении молодых поколений учёных в области естественнонаучных специальностей в открытое обсуждение учеными проблем самоорганизации геоэкологических процессов и изучения ее механизмов с помощью методов нелинейной динамики. Широкое обсуждение специалистами различного научного профиля этих вопросов в рамках молодежной школы позволит сосредоточить дискуссию по сложным и многогранным вопросам развития, функционирования и взаимодействия геоэкологических процессов, рассмотрит их сквозь призму нелинейных законов и явлений.

Основные лекции на Школе были прочитаны саратовскими и иногородними приглашёнными лекторами из различных научных и учебных заведений России. Лекторы выступавшие на Школе представляли Тихоокеанский институт географии ДВНЦ РАН (г. Владивосток), Ульяновский государственный технический университет (г. Ульяновск), Геологический институт Кольского научного центра РАН (г. Апатиты), Московский государственный университет (г. Москва), Институт климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск), Саратовский государственный технический университет (г. Саратов), а К столетию Саратовского университета также организатора Школы – Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (г. Саратов).

По своей тематике все лекции, прочитанные на Школе, формально делились на три основных крупных направления. К первому направлению относились лекции, рассказывающие об актуальных проблемах современных наук о Земле, о глобальных геологических и геоэкологических процессах. Так, в этот блок лекций вошли такие лекции как «Геоэкология в Саратовском университете» и «Синергетические эффекты коэволюции геосфер» профессора А.В. Иванова, «Самоорганизация растущей Земли: геология, геоморфология и геоэкология» профессора, чл.-корр. РАН Г.И. Худякова.

Второй блок объединил в себе лекции ориентированные в направлении изучения и применения методов нелинейной динамики к анализу данных различной природы, в том числе и геологического и геофизического происхождения. В частности в рамках этого блока были прочитаны лекции «Нелинейные феномены и критические явления в процессе эволюции: статистический анализ палеонтологических данных и модели» (профессор А.А. Короновский), «Введение в вейвлетный и спектральный анализ» (профессор А.Е. Храмов), «Фрактальные объекты и их размерности.» (профессор А.Е. Храмов, ассистент С.А. Куркин,). В частности, в лекциях данного блока затрагиваются такие вопросы, как вопросы эволюции биологических видов с позиции нелинейной динамики, рассматриваются основные модели описывающие процессы вымирания и видообразования, рассказывается о методах и результатах анализа палеонтологических данных, вопросы применения вейвлетного и спектрального анализа временных данных различной природы, в том числе природных и экологических систем, проводится обзор уникального класса геометрических и физических объектов фракталов.

Третье направление лекций в большей степени было ориентировано на вопросы самоорганизации, функционирования и эволюции геологических и геоэкологических систем с точки зрения нелинейной динамики. В частности комплекс лекций (3 лекции) профессора П.М. Горяинова посвящённый проблемам самоорганизации литосферных структур (см.

рельефообразующих процессов в условиях крайнего Севера», видеолекция профессора А.В. Позднякова «Синергетические феномены в строении и функционировании рельефа Земли».

Ещё раз необходимо отметить, что подобное разделение лекционного блока Школы проводится нами лишь формально, так как в той или иной степени каждая из лекций затрагивала вопросы, относящиеся ко всем трём выделенным направлениям. Что ещё раз К столетию Саратовского университета подтверждает актуальность и необходимость дальнейшего развития «нелинейных»

представлений в области наук о Земле, что является составной частью процесса выработки единой научной концепции зарождения и эволюции Вселенной, и места человека в ней на основе представлений и методов нелинейной динамики.

Как упоминалось выше, программа стажировки молодых учёных на Школе, помимо лекционных заседаний, включала в себя посещение семинарских занятий. Идея проведения семинаров состояла в применении на практике методов нелинейной динамики при анализе геологических и геоэкологических данных, в ходе которых слушатели выполняли ряд тестовых заданий.

Семинары «Анализ особенностей структуры и рисунка эрозионно-речной сети» и «Фрактальный анализ структуры и рисунка эрозионно-речной сети» представляли собой комплекс взаимосвязанных мероприятий, включавших также лекцию профессора А.Е. Храмова и ассистента С.А. Куркина «Фрактальные объекты и их размерности».

В ходе первого семинарского занятия участники Школы познакомились с одним из наиболее показательных объектов изучения геоморфологической науки – овражно-балочной сетью и ее геоэкологическими особенностями развития и функционирования в условиях современной урбанизации. Выбор организаторами Школы овражно-балочной сети в качестве объекта изучения в рамках семинарского занятия был продиктован тем, что именно она в условиях города является чаще всего «удобной» площадкой для развития целого комплекса экологически неблагоприятных процессов, зачастую с катастрофическими последствиями – подтопления и затопления городской территории, заболачивания, оползнеобразования, просадочности и т.д. На территории засыпанных толщей техногенных отложений и замусоренных различным городским мусором долин оврагов и балок формируются очаги острых инфекционных заболеваний.

На примере ряда модельных эрозионных объектов на территории Саратовского научно-образовательного полигона слушатели познакомились со следующими основными положениями и результатами теоретических и прикладных исследований кафедры геоэкологии СГУ.

1. Комплекс полевых и камеральных методов исследований овражно-балочной сети.

2. Коэволюционный анализ функционирования естественной и искусственной городской дренажной сети.

3. Основные эволюционные закономерности функционирования естественной и искусственной городской дренажной сети: этапность, периодичность, направленность, событийность, тенденциозность, обратимость и др.

4. Алгоритм оценки эрозионной опасности городских территорий.

К столетию Саратовского университета 5. Рекомендации по градостроительному и природоохранному освоению городских овражно-балочных систем.

После краткого теоретического курса, посвященного функционированию эрозионной сети в условиях современного урбогенеза, участники Школы получили практическое задание, которое было направлено на изучение рисунка современной эрозионной сети. Анализ рисунка эрозионной сети проводился по специально подготовленным для участников фрагментам крупномасштабных топографических карт территории города Саратова на разные временные интервалы. Практиканты получили задание схематично отобразить систему тальвегов эрозионной сети для последующего ее изучения с помощью фрактального анализа. В результате обработки схем тальвегов с помощью фрактального аппарата участники имели возможность сравнить значения показателя фрактальной размерности на территорию модельных овражно-балочных бассейнов на разные годы. Такое задание предполагало развитие у участников Школы навыков анализа и обработки картографических материалов с последующим расчетом величины фрактальной размерности и интерпретацией этого показателя в зависимости от ряда особенностей каждого конкретного эрозионного бассейна.

Второе семинарское занятие для слушателей школы проводилось в специально оборудованном компьютерном классе. Участникам семинара было предложено рассчитать фрактальную размерность по схемам участков овражно-балочной сети различных районов г. Саратова и Саратовской области, полученным с помощью топографических карт местности в ходе первого семинарского занятия. Методика получения результата была описана в специально предоставленном участникам семинара методическом пособии.

Во второй части семинара слушателям ставилась задача ознакомления с прикладными пакетами программ на компьютерах, автоматически решающими задачу расчета фрактальной размерности и фрактального анализа любых заданных одномерных и двумерных объектов и приобретение навыков работы с ними. В заключение семинара участникам была предоставлена возможность проверить достоверность полученных ими практических результатов с помощью компьютерной программы и оценить значение фрактального анализа в области применения методов нелинейной динамики к наукам о Земле.

В конце семинарских занятий проходило обсуждение полученных результатов. Вместе с ведущим семинара слушатели имели возможность обсудить наиболее типичные ошибки, возникающие при применении теоретических разработок нелинейной динамики на практике, границы применимости тех или иных методов к реальным живым системам, обсудить другие вопросы, касающиеся применения полученных теоретических сведений. Таким образом, проводилась проверка эффективности усвоения слушателями Школы материала прослушанных лекций.

К столетию Саратовского университета исследователей в ходе проведения Школы, стала защита слушателями (или малыми группами слушателей, работающих совместно над своим проектом) своих научно-исследовательских работ. Для этого участники Школы должны были предварительно подготовить расширенные тезисы своего выступления, которые присылались в оргкомитет непосредственно перед началом Школы. Таким образом члены программного комитета могли заранее ознакомится с содержанием докладов и отобрать даклады наиболее высокого научно-исследовательского уровня, для последующего представления их на Школе. По окончании лекционной программы Школы проводилось пленарное заседание, на котором слушатели школы, в коротком пятнадцатиминутном сообщении представляли доклады, заранее отобранные програмным комитетом.

Слушателям Школы давалась возможность отредактировать свои доклады с учётом замечаний программного комитета (если такие возникали), а также с учётом знаний и сведений полученных слушателями в ходе лекций и семинарских занятий. При оценке качества усвоения материалов Школы Программным комитетом оценивалось как научное содержание доклада, так и качество защиты доклада: умение участника ориентироваться в выбранной теме доклада и смежных темах, ответы на вопросы, степень использования в докладе и в ответах на вопросы знаний полученных в ходе проведения Школы и т.д. По итогам защиты в сборник материалов вошли 22 доклада участников Школы. Таким образом, результаты проверки эффективности усвоения молодыми исследователями и преподавателями лучших научных и методических отечественных и мировых достижений по результатам работы Школы отражены в избранных материалах Школы-конференции, представленных на DVD-диске (ISBN 978-5-317-02815-2).

Доклады следующих участников школы были признаны лучшими и по результатам работы на школе и защиты научной работы они были награждены дипломами за лучшие доклады и ценными подарками (книгами по тематике школы):

Журавлев М.О. Выделение ламинарных и турбулентных фаз в однонаправленных связанных системах Рёсслера.

Сельский А.О. Зависимость значения границы фазовой синхронизации от степени когерентности хаотического аттрактора системы.

Филатов Р.А. Применение методики сван и вейвлетного анализа при комплексной структурно-формационной интерпретации.

пространственно-распределенной хаотической системе на примере уравнений ГинзбургаЛандау.

К столетию Саратовского университета Кисина Е.В. Случайные сети и их характеристики.

Шурыгина С.А. Нелинейный феномен неавтономной индуцированной шумом синхронизации.

Передерий Ю.А. Изучение условий возникновения перемежаемости III типа с шумом.

Ханенко М.В. Исследование влияния внешних шумов на динамику лампы обратной волны.

Яшков И.А. и др. Пространственно-временной анализ городской естественной и искусственной дренажных сетей по серии карт (на примере Саратова).

Мальцев А.В., Шешнёв А.С., Яшков И.А. Предварительные результаты нелинейного моделирования системы трещиноватости (на примере модельного полигона «Багаевка»

территории г. Саратова).

В рамках круглого стола «Синергетика и геоэкология: пути коэволюции» состоялась презентация учебно-научной литературы, изданной за последние годы как Организаторами Школы, так и их коллегами из ведущих научно-образовательных организаций России.

Выставка публикаций кафедры геоэкологии и факультета нелинейных процессов Саратовского университета, посвященная вопросам изучения геоэкологически опасных природных и природно-техногенных процессов с помощью различных методик, в том числе аппарата нелинейной динамики, вызвала значительный интерес у участников круглого стола.

В обсуждении современных проблем нелинейной динамики, геологии и геоэкологии особо подчеркивалась значительная роль синергетики, методический аппарат которой еще только начинает использоваться в науках о Земле и экологии. Профессор Д.В. Михель (Саратовский технический университет) отметил синергетические эффекты в развитии массовых эпидемий. Профессор П.М. Горяинов (Геологический институт КНЦ РАН) отметил уровень современного развития синергетических идей в науках о Земле. Член-корр. РАН Д.И. Трубецков (Саратовский университет) представил основные научные издания, посвященные нелинейно-динамическому моделированию различных процессов. Отмечена необходимость внедрения идей синергетики в школьные курсы биологии, экологии, математики, физики, химии. Ю.Л. Чернышов (журналист, собственный корреспондент газеты «Богатей») сообщил о результатах маршрутных наблюдений необычных природных явлений в районе Доно-Медведицкой гряды. Доклад вызвал широкое обсуждение специалистов.

В результате работы круглого стола сформирована общая позиция организаторов и участников: многие проблемы современной геоэкологической науки и других междисциплинарных научных направлений на стыке наук о Земле имеют относительно К столетию Саратовского университета простое научное решение, однако степень информированности общества крайне мала, что приводит зачастую к появлению на телеэкране лженаучной и псевдонаучной информации.

Полевой семинар для участников Школы был организован профессором Саратовского университета, заведующим кафедрой геоэкологии А.В. Ивановым и ассистентом кафедры геоэкологии И.А. Яшковым.

В течение двух рабочих дней Школы участники посетили наиболее показательные модельные полигоны по изучению различных геоэкологически опасных процессов как на территории Саратова и его окрестностей, так и на территории Красноармейского административного района Саратовской области. Маршрутные работы предполагали знакомство участников Школы с разнообразием геологических и геоморфологических методов изучения геоэкологически опасных объектов и явлений на территории модельных полигонов. В ходе работы полевого семинара участники познакомились со следующими основными полевыми и камеральными методами работы.

Геологические:

1) изучение литологической характеристики коренных пород и четвертичных отложений склоновых пространств;

2) исследование инженерно-геологических, гидрогеологических и экологогеологических условий;

3) выявление связи формы продольного профиля, уступов в тальвеге оврагов с литологическими комплексами пород;

4) выявление связи современных форм эрозионной сети с экзогенными (карстом, суффозией, оползанием и пр.) и эндогенными (разломно-трещинной сетью, современными движениями земной коры и пр.) геологическими процессами.

Геоморфологические:

1) морфологический;

2) морфоструктурный;

3) морфогеографический;

4) морфодинамический;

5) палеогеоморфологический.

Анализ активности молодых участников Школы показал, что наибольший интерес у молодёжи на данный момент вызывают вопросы связанные непосредственно с изучением и К столетию Саратовского университета применением методов и моделей нелинейной динамики в научных исследованиях. В то же время развитие междисциплинарных подходов в области геоэкологии и в науках о Земле находится ещё на недостаточно высоком уровне. Так, тематика докладов (в том числе лучших, отобранных для материалов Школы) затрагивает в основном такие темы как нелинейные феномены, хаос, критические явления; методы анализа пространственных, временных и пространственно-временных данных; фундаментальные проблемы нелинейной динамики, в которых (докладах) недостаточно, по мнению программного комитета, отражены актуальные проблемы наук о Земле и в частности геоэкологии. В то время как лекционное содержание Школы ярко показывает об активном проникновении представлений нелинейной динамики в область геологических наук и представлений о геоэкологии планеты. Лекции подобной тематики вызывали на Школе особый интерес участников Школы, а также «вольных слушателей» студентов, аспирантов и сотрудников геологического факультета, факультета нелинейных процессов, на базе которых проходила Школа, а также физического и географического факультетов.

Результаты работы молодых исследователей на лекционных заседаниях, в ходе круглого стола, семинарских занятиях и в процессе защиты научных работ показывают, что предлагаемая тематика вызывает у молодых исследователей живой интерес. В ходе ряда лекций возникало множество вопросов слушателей и оживлённые дискуссии присутствующих учёных. Из чего можно сделать вывод о перспективности данного направления науки, в плане привлечения к исследованиям одарённой молодёжи в вузах и научных институтах РАН.

География участников Школы (среди лекторов и слушателей) показывает, что данная тематика активно развивается в большинстве крупных научных центрах страны и затрагивает множество крупных регионов России (Москва и московская область, Поволжье, Западная Сибирь, Дальний Восток).

По результатам проведения Школы был подготовлены и изданы материалы Школы, вошедшие в электронный сборник «Избранные материалы Всероссийской научной школы для молодёжи «Нелинейные феномены, хаос, критические явления и методы их исследования с помощью вейвлетного, кластерного и спектрального анализа в геоэкологических процессах»

(ISBN 978-5-317-02815-2).

С целью информационной поддержки Школы, для оперативного информирования участников Школы и всех заинтересованных лиц была создана веб-страница Школы в сети Интернет, расположенная по адресу http://nonlin.sgu.ru/GEO2009/index.htm. Деятельность научной школы широко освещалась в прессе. В частности, были опубликованы на страницах К столетию Саратовского университета саратовского Интернет-портала www.sarbc.ru (публикация от 6 октября 2009 г.), газета «Богатей» (№ 35 (505) от 15 октября 2009 г.), газета «Саратовская панорама» (№ 39 (712) 7- октября 2009 г., стр. 8).

Потенциальными потребителями научно-методических материалов школы являются молодые исследователи, аспиранты и студенты, работающие в области геологии, геоэкологии и других наук о Земле, заинтересованные в применении междисциплинарных методов и подходов к научным исследованиям. Материалы школы также будут представлять интерес для всех специалистов, работающих по физическим специальностям и специализирующихся на междисциплинарных исследованиях систем различной природы, с привлечением методов нелинейной динамики.

Результаты Школы могут быть использованы для информирования представителей научной общественности, работающих в соответствующих областях науки, о современном состоянии и перспективах дальнейшего развития; использования в учебном процессе, как при очном, так и при дистанционном образовании; использования материалов Школы в целях популяризации науки; презентации лекций и видеоматериалы могут служить базой для разработки курсов для удалённого обучения в области наук о Земле и нелинейной динамики;

материалы основных лекций, результатов круглых столов и научных обсуждений могут быть положены в основу публикации в профильных научных журналах.

Материалы Школы и опыт проведения подобных мероприятий будут использованы при организации и проведении других школ и конференций по данной тематике, а также по другим научным направлениям.