Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОГОДЫ И КЛИМАТА НА ЖИВОТНЫХ 12
1.1 Таймырская популяция диких северных оленей как объект моделирования 12
1.2 Методы моделирование влияния погодно-климатических факторов на животных
1.3 Предлагаемая многофакторная параметрическая модель энергообмена животных - 23
Выводы по 1-й ГЛАВЕ 32
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГООБМЕНА 34
дикого СЕВЕРНОГО ОЛЕНЯ
2.1 Исходные уравнения и их усреднение 34
2.2 Модель влияния температуры воздуха и скорости ветра 37
2.3 Модель влияния радиационных факторов 41
2.4 Моделирование популяционной специфики 44
2.5 Модель влияния локомоциоиных функций 46
Выводы по 2-Й ГЛАВЕ 47
ГЛАВА 3 АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГООБМЕНА ЖИВОТНЫХ - 49
3.1 Алгоритмические сети блоков теплоотдачи 49
3.2 Алгоритмическая сеть блока энергозатрат на 59 активность
3.3 Алгоритмическая сеть блока «баланс» 61
3.4 Алгоритмическая сеть блока «дыхание» 64
3.5 Алгоритмическая сеть блока «длинноволновая радиация» 66
3.6 Алгоритмическая сеть блока «репер» 68
Выводы ПО 3-Й ГЛАВЕ 69
ГЛАВА 4 ВХОДНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ МОДЕЛИ ЭНЕРГО ОБМЕНА ЖИВОТНЫХ И ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ КЛИМАТА АРЕАЛА- 70
4.1 Входные климатические данные модели энергообмена животных 70
4.2 Информационная модель климата ареала 80
Выводы по 4-Й ГЛАВЕ 93
ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 94
5.1 Расчет теплопроводности меха и тканей 94
5.2 Расчет теплоотдачи животного в условиях зимы 97
5.3 Расчет влияния инсоляции на метаболизм организма- 99
5.4 Расчет рабочих и полных энергозатрат 104
5.5 Расчет энергетической структуры ареала таймырской популяции диких северных оленей 109
ВЫВОДЫ по 5-Й ГЛАВЕ. 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
ЛИТЕРАТУРА 117
- Таймырская популяция диких северных оленей как объект моделирования
- Исходные уравнения и их усреднение
- Алгоритмические сети блоков теплоотдачи
- Входные климатические данные модели энергообмена животных
- Расчет теплопроводности меха и тканей
Введение к работе
Работа посвящена разработке комплекса моделей и методов для расчета интегральных энергетических показателей влияния пого дно-климатических факторов на животных и выявления биоклиматической структуры территории их обитания. Предложенный подход базируется известных уравнениях теплопроводности, гидродинамики, биофизики, математической биологии, методах системного анализа, что позволяет применить его для различных видов и популяций животных, а также в технике при разработке комплексов биоклиматического контроля и специальных видов одежды. В данной работе в качестве конкретного объекта для настройки моделей и апробации результатов выбрана крупнейшая в Евразии таймырская популяция диких северных оленей — национальное достояние России, важнейший биологический природный ресурс в системах традиционного природопользования, промыслового оленеводства, рекреации и международного туризма.
Необходимость в разработке моделей связана с тем, что без них такие основополагающие проблемы, как взаимосвязь пространственно-временной изменчивости популяции с факторами среды, энергетические экосистемные связи, влияние на популяцию территориального размещения промысловой системы не могут быть с достаточной убедительностью охарактеризованы количественно. Отсутствие информации по этим вопросам препятствует пониманию закономерностей популяционных изменений, их учета в практике промысловых хозяйств разных форм собственности, а также при разработке мер охраны животных.
Исследование влияния погодно-климатических факторов на таймырскую популяцию диких северных оленей не могло быть выполнено с помощью известных в зооклиматологии методов. Это потребовало разработки математической и алгоритмической модели энергозатрат животных, и конкретизации ее для дикого северного оленя.
Актуальность исследований связана с отсутствием методического фундамента и инструментальных средств для количественной оценки влияния климатических факторов на энергообмен животных и пространственно-временную динамику популяций. При этом необходимо иметь в виду две ключевые проблемы, первая из которых отражает гносеологический аспект, вторая - главным образом хозяйственный, экономический.
Первая из них - это проблема "популяция-климат". Ее решение связано с ответами на вопросы: почему велика роль климата в системе экологических связей популяции, какова модель климатической связи и может ли иметь такая модель диагностическую и прогностическую ценность в эколого-популяционном плане, например, в традиционных вопросах о "суровости" условий жизнедеятельности, об изменении численности популяции, ее зональном распределении и миграциях. Вторая проблема - это проблема "климат - природоохранная и хозяйственная деятельность", исследование которой позволило бы выяснить, как влияют колебания климатических условий на экономические показатели промысловой отрасли, на эффективность систем мониторинга и охраны популяции.
Среди ряда подходов к решению этих проблем наиболее зрелым представляется энергетический. Однако, как показали исследования, разработка энергетических методов оценки состояния популяций и экосистем еще далека от завершения. Влияние пого дно-климатических условий на животных осуществляется прежде всего через расходую часть энергобаланса, в том числе: потери ассимилированной энергии на теплоотдачу, двигательную активность, основной обмен в зависимости от гелиофизических, метеорологических факторов и морфофизиологических функций организма. Ведущую роль при этом играют тепловые потоки, баланс которых является следствием закона сохранения.
Пространственно-временное распределение энергозатрат в зависимости от значений актинометрических и метеофакторов образует биоклиматическое поле ареала популяции животных. Положение зон энергетического оптимума и пессимума поля позволяет определить благоприятные и неблагоприятные по климатическим показателям секторы ареала. В совокупности с данными о пищевых ресурсах, рельефе местности, антропогенным воздействием это создает информационную основу для исследования и прогнозирования пространственного размещения и миграций животных.
Возможности прямого измерения составляющих энергобаланса животных весьма ограничены и недостаточны для построения биоклиматических полей в реальном диапазоне изменения погодно-климатических факторов. Из совокупности данных о среде обитания животных наиболее представительной и полной является информация о погодно-климатических факторах, поступающая от сети метеостанций, со спутников и хранящаяся в соответствующих архивах. В зоологических исследованиях эта информация почти не используется ввиду отсутствия методов интегральной оценки биологически значимой информации, средств целенаправленного отбора факторов и картографического представления результатов, обеспечивающего их интерпретацию конечными пользователями. Решить указанные проблемы без использования моделирования и компьютерных средств обработки и представления данных невозможно.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка математических методов и комплекса компьютерных моделей для анализа влияния погодно-климатических факторов на энергетические потоки, характеризующие метаболизм организма животных и популяций с апробацией полученных результатов по данным о таймырской популяции диких северных оленей.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
Анализ существующих методов и моделей влияния климатических факторов на животных.
Разработка математической модели энергообмена животных.
Построение на этой основе алгоритмической потоковой модели энергозатрат и ее идентификация.
Разработка методики построения биоклиматической модели ареала,
Оценка работоспособности и адекватности моделей путем сравнения результатов расчетов с имеющимися фактическими данными
Использование разработанных моделей для решения прикладных задач по оценке влияния погодно-климатических факторов на диких северных оленей таймырской популяции
Методы исследований. При проведении исследований и разработок в диссертационной работе были применены подходы и методы теории моделирования, законы сохранения, уравнения теплопроводности, гидродинамики, математические методы свертки, усреднения, подобия и размерностей, параметризации дифференциальных уравнений в частных производных, био-математи чески е способы оценки интегралов по поверхности функций многих переменных, гидрометеорологические методы восстановления числовых полей, средства автоматизации моделирования (САПФИР, КОГНИТРОН) для синтеза расчетных программ, пакеты прикладных программ для построения биоклиматических карт и графического отображения результатов, методы и программные комплексы Государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды, а также данные натурных зоологических исследований таймырской популяции диких северных оленей, проведенные отделом биологии промысловых животных в Институте сельского хозяйства Крайнего Севера.
Научные положения, выносимые на защиту:
Разработана математическая модель энергообмена, позволяющая рассчитать влияние погодно-климатических факторов на организм животных и отличающаяся от известных использованием двухслойной схемы переноса потоков тепла, применением расширенного списка экологических переменных и уравнений метаболизма организма;
Разработана алгоритмическая модель энергопотерь животных, позволяющая рассчитать биоклиматические характеристики популяции;
3) Разработана биоклиматическая модель ареала, позволяющая рассчитать поля энергопотерь популяции на основе информации Государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Разработана математическая модель энергообмена, использующая алгоритм расчета тепловых потоков, редуцированный из уравнения теплопроводности по двухслойной схеме, который упрощает подготовку информационного обеспечения модели.
На основе свертки уравнений математической модели и формализма алгоритмических сетей разработана компартментная алгоритмическая модель энергозатрат животных и построены расчетные программы.
Разработан метод построения биоклиматической модели ареала популяции для создания зоогеографических карт распределения энергопотерь животных.
На основе разработанной модели выявлен эффект радиационного стресса у северных оленей в области толерантных (в частности отрицательных) температур, который является новым научным фактом, что было подтверждено натурными наблюдениями в Арктике.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации подтверждается корректностью предложенных моделей, алгоритмов и согласованностью результатов, полученных при компьютерной реализации, с имеющимися экспериментальными данными, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на международных научных конференциях.
Практическая ценность. Разработан действующий программный комплекс для расчета энергозатрат как отдельных животных, так популяции в целом в широком диапазоне изменения погодно-климатических факторов. Расчеты могут проводиться с построением биоклиматических карт по данным сети метеопунктов. Комплекс был применен для решения практических задач выявления границ толерантности северных оленей, факторов их миграционной активности и расчета биоклиматической структуры ареала таймырской популяции этих животных. Полученные результаты позволяют количественно обосновать роль п ого дно-климатических факторов в пространственно-временной динамики популяций животных, а в экономическом плане -повысить эффективность промысловой сельскохозяйственной отрасли Таймыра за счет модельного анализа вариантов размещения промысловых пунктов.
Результаты проведенных исследований нашли отражение при разработке Федеральной целевой программы: "Социальное и экономическое развитие Таймырского (Долгано-Ненецкого) автономного округа на период 1998-2005г".
Предлагаемая модель энергозатрат допускает использования ее в различных технических приложениях, таких как экологические информационные системы, а также медицинское оборудование, производственные и бытовые биоклиматические системы, специальные типы одежды, а также автоматизированные комплексы биоклиматического контроля в экстремальных ситуациях, например, в полевых условиях работы оленеводов или на полярных станциях.
Имеется акт внедрения результатов работы в НИИСХ Крайнего Севера.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийском научно-производственном совещании "Дикий северный олень" (Норильск, 1990); 2 Международной конференции "Освоение Севера и проблема рекультивации" (Сыктывкар, 1994); на рабочем совещании по программе Circum Arctic Rangifer Monitoring and Assessment (CARMA) (Ванкувер, Канада, 2004); 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment (Санкт-Петербург, 2005).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста с
30 рисунками, 7 таблицами и списком литературы из 215 наименований.
Краткое содержание диссертации: в 1-ой главе предпринята попытка показать место численного био климатических анализа в общем русле экологических исследований таймырской популяции диких северных оленей. Там же затронуты вопросы использования архивных массивов имеющейся гидрометеорологической информации в исследованиях и хозяйственных операциях, которая в настоящее время, как в промысловом, так и в северном оленеводстве практически не задействована. Глава имеет обзорный характер. Обзор литературных источников освещает наиболее важные аспекты экологического и биоклиматического моделирования.
Во 2-ой главе изложена математическая модель энергозатрат дикого северного оленя. С помощью модели удалось установить функции влияния ведущих гидрометеорологических предикторов на метаболизм животных и выразить разнородные климатические воздействия на популяцию с помощью одного энергетического показателя.
В 3-ей главе представлено полное описание блоков алгоритмической модели влияния климата на диких северных оленей. Модель разработана в среде САПФИР-КОГНИТРОН, созданной в лаборатории автоматизации моделирования Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН. Использование средств автоматизации упростило программную реализацию модели, настройку параметров и проведение численных экспериментов.
Описанию «климатических входов» энергетической модели популяции посвящена 4 глава, в которой дается краткая характеристика аномально-специфического климата ареала популяции. Для этого использованы данные климатического справочника, результаты изысканий и разработок ВНИИГМИ-МЦД (Мирового центра данных), карты гидрометеорологических полей, полученные в результате электронной обработки спутниковой информации.
В 5-ой главе представлены результаты численных модельных экспериментов. Получена количественная оценка потребной энергии дикого северного оленя, показана роль ветра, облачности и солнечной радиации, возраста и бюджета активности животных в их энергетических связях со средой обитания.
Таймырская популяция диких северных оленей как объект моделирования
Таймырская популяция диких северных оленей является наиболее изученной в Российской Федерации. Зоогеографические и экологические сведения, содержащие первичные данные о популяции, полученные в результате прямых аэровизуальных и полевых исследований, представлены в работах Колпащикова Л.А., Павлова Б.М., Мичурина Л.Н. [72, 82, 100]. Основу натурного материала составляют результаты полувековых исследований НИИСХ Крайнего Севера в пределах годового ареала популяции, охватывающего почти весь север Средней Сибири [ 17, 33, 34, 46, 53-57, 71-78, 80-84,86 88 90, 100-103, 117-121, 133,134, 143,149,164, 170, 173,174].
Остановимся кратко на некоторых основных фактах. Со времени первых авиаучетов [8, 90] в популяции и среде ее обитания произошли значительные экологические изменения, С нескольких десятков тысяч до 1 млн. голов возросла численность животных, и популяция стала самой крупной на континенте. Под влиянием активного экономического использования ее ресурсов (с использованием современной технологии промысла, авиации и флота) из популяции изъято более 1,9 млн. особей и сформирована новая популяционная структура, обеспечивающая высокий репродуктивный потенциал [78, 149, 173, 174]. С ростом численности увеличивалась нагрузка на пастбища в местах сезонных стаций и урочищ [73, 77, 86, 88]. Изменилось территориальное размещение и миграции [34, 76, 78, 81, 101, 120, 133, 164]. Утратили прежнее значение взаимоотношения диких животных с домашними 13 [29, 71, 152]. Произошла смена климатических фаз [4, 9, 10, 87, 115, 124, 125, 137, 152, 153].
1,1.2 Демографическая модель популяции
Как объект имитационного моделирования популяция изучается с середины 60-х годов. Начатые работами В.В. Михайлова [96-98] исследования доведены до совместных экспертных оценок динамики конкретных Пколого-экономических ситуаций [65, 78, 96, 104] и создания системы управления биологическими ресурсами популяции с помощью математических моделей. Приведем основные этапы в этом направлении исследований. I этап. Модельные исследования популяции были начаты с построения ее демографической модели [96, 98], разработка которой опиралась на данные авиа- и полевых маршрутных учетов. Появление довольно подробных сведений о диких северных оленях на Севере Средней Сибири восходит к 20-м годам XX века. И.В Друри, [47] описывая распространение вида, ссылается на сообщение В.Н. Скалона [145], давшего схему путей перехода оленей от мест летовок на Таймыре к зимним пастбищам. Впервые термин «популяция» для описания диких оленей Таймыра появляется в диссертации Л.Н. Мичурина [ 100], в которой даются основные черты хорологической структуры сообщества, обобщаются результаты первого авиаучета, делается попытка по краниологическим показателям и другим признакам выделить популяцию в популяцию самостоятельного подвида. Приведенные результаты имеют рекогносцировочный характер [57, 81, 101, 170].
Организация в НИИСХ Крайнего Севера систематических полевых исследований и авиаучетов численности, которые с 1959 г. проводятся раз в 3 года [80, 90, 120, 164], после 1976 г. до 1990 - ежегодно [81, 134, 174, 121] позволили уточнить размещение, пути и сроки миграции животных и определить численность, возрастно-половую структуру, экологию питания морфологию, экосистемные связи и репродуктивный потенциал популяции [56, 72, 76, 149 и др.].
class2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГООБМЕНА 34
дикого СЕВЕРНОГО ОЛЕНЯ class2
Исходные уравнения и их усреднение
В уравнении для плотности потока метаболической энергии внутрь организма (1) базальная метаболическая скорость Wo является универсальной константой, т.к. практически не зависит от размеров и систематического положения животного и имеет порядок 1 м/с [39] (0.97 - для гомойотермных размером 0.46 м , 1.08 - для северного оленя того же размера).
Уравнения (3), (4), (5) описывают перевод рабочей метаболической мощности организма в механическую мощность передвижения центра тяжести животного и в механическую мощность извлечения корма. Параметры у, к, S видоспецифичны и меняются в довольно широких пределах. Идентификация коэффициентов для северного оленя в рамках модели (1-6) проведена с привлечением результатов экспериментов Соколова А.Я. и Кушнира А.В., обобщивших за ряд лет данные наблюдений над животными на стационаре RANGIFER [148]. Коэффициент сопротивления у определен по данным регистрации кислородного метаболизма (масочный метод) и частоты сердечных сокращений (радиотелеметрический метод) при передвижении оленей по твердому грунту (ходьба, бег).
Коэффициент, характеризующий диссипативный поток при движении по вязкому грунту (снегу), определен путем решения экстремальной задачи, с использованием системы САПФИР-КОГНИТРОН [59]. Остальные неизвестные параметры рассчитывались аналогично, с учетом различных форм поведения животных (передвижения, тебеневка, поедание корма из лунок).
Для использования средних климатических характеристик в виде входной информации модели следует провести усреднение уравнений (1-6) в соответствии с темпом дискретности климатологических рядов. Определенную трудность при этом представляет параметризация функций V(H), v(H), вид которых неизвестен. На основании данных полевых наблюдений Давыдова А.Ф. [44] для v(H) использована квадратичная аппроксимация
Информация о скоростях V на зимних пастбищах для таймырской популяции диких северных оленей отрывочна, в связи со сложными для проведения наблюдений условиями полярной ночи. Определим фактическую скорость передвижения в виде суммы:
Величина V изменяется между годами в связи с изменениями территориального размещения. После подстановки (7) и (8) в исходные уравнения и усреднения с привлечением гипотезы о нормальном распределении V получим выражение, связывающее средние энергозатраты животного и высоту снежного покрова:
Алгоритмические сети блоков теплоотдачи
С помощью блока теплоотдачи моделируется тепловой и радиационный баланс поверхности тела животного. Механизм теплоотдачи одинаков для любого участка тела, но условия процесса существенно различаются, в зависимости от времени и напряжения солнечной радиации, толщины меха, а также характера поведения животного. Поэтому суммарный энергетический баланс поверхности тела рассчитывается по отдельным ее фрагментам. По характеру освещенности и активности животного выделены 6 таких фрагментов:
участок 1 - фрагмент поверхности тела, освещенный прямыми лучами Солнца в период активности особи.
участок 2 - затененный фрагмент поверхности в период активности;
участок 3 - фрагмент поверхности под прямой радиацией в период отдыха;
участок 4 - затененный фрагмент поверхности в период отдыха;
участок 5 - поверхность под воздействием диффузной радиации в период активности;
участок 6 - фрагмент поверхности под воздействием диффузной радиации в период отдыха.
Каждому из перечисленных фрагментов соответствует отдельный модельный блок. Структура блоков в основном идентична. Отличия связаны с формой представления площади поверхности теплоотдачи.
Алгоритмическая сеть участка 1
Построение алгоритмической сети (рис. 3.1) для участка 1 связано с необходимостью учесть в модели влияние прямой солнечной радиации. Типичные гидрометеорологические условия в Арктике с невысокими летними температурами и преобладанием облачных погод формируют состояние теплового комфорта для северных оленей. Температура меха и кожи животных остается ниже ректальной настолько, что обеспечивает теплоотдачу несколько выше уровня основного обмена, т.е. олени находятся в термонейтральной зоне. Однако при формировании на Таймыре области высокого давления антициклонического типа с незначительным ветром и ясным небом процессы теплообмена организма со средой изменяются. Поглощение прямой радиации (коротковолновый участок спектра) мехом оленей приводит к его нагреву, температура меха и кожи повышается и градиентный теплообмен организма с окружающим воздухом ослабевает. У животных появляется тепловая одышка, поведенческие симптомы перегрева.
При разработке модели теплоотдачи поверхности тела в области воздействия прямых солнечных лучей требуется адекватное математическое описание площади поверхности меха, освещенной Солнцем, и учет изменчивости плотности потока лучистой энергии, которая зависит от числа оптических масс, прозрачности воздуха и его стратификации, ярусности облаков, наличия гелиоактивных газовых компонент атмосферы. На актинометрических станциях, вполне охватывающих ареал таймырской популяции диких северных оленей, проводятся измерения составляющих солнечной радиации в 6 сроков наблюдений.
Вместе с тем использование в расчетах срочной информации, по-видимому, преждевременно. Для оценки тепловых условий протекания популяционных процессов необходимо ограничиться климатологическими оценками. Переход от срочных рядов к климатологическим представляет отдельную проблему. В предлагаемой модели используются результаты, полученные в работе Айзенштата Б.А. [3] и написанные с их помощью упрощенные формулы (35).
Входные климатические данные модели энергообмена животных
Гидрометеорологическая информация, в том числе и климатологическая, необходимая для биоклиматических расчетов, возникает как результат выполнения некоторых первичных процедур (наблюдений, измерений, вычислений) над физическими величинами, которые характеризуют состояние климатической системы. Всякое наблюдение определяется не только тем, что наблюдается, но и условиями наблюдения, которые задаются перечислением ряда признаков. Для характеристики биоклимата ареала популяции это прежде всего пространственно-временные координаты в той или иной форме. Результатом отдельного наблюдения является значение физической величины: числовым, текстовым или логическим. Значение физической величины приобретает вполне ясный смысл в том случае, если известны все условия наблюдения, т.е. если известны значения всех признаков, связанных с данной физической величиной.
Физические величины и признаки имеют имена, которые рассматриваются как способ соотнесения смысла величин их значениям и отождествляются с названиями тех измерительных процедур, которые приводят к установлению значения физической величины или признака. Имена используются также для обозначения произвольных значений физической величины или признака.
Если ТВ - имя физической величины (температура воздуха), то ТВ с одной стороны обозначает произвольное значение температуры, и с другой - ТВ следует рассматривать как название процедуры измерений, состоящей в том, что при этом использовался тот или иной термометрический инструмент (ртутный термометр, автоматический биметаллический электро датчик, микроволновый космический зонд и т.п.)
Информационные массивы значений одной или нескольких физических величин формируются таким образом, что в пределах информационного массива с каждой физической величиной связан конкретный набор признаков. Этого добиваются соответствующим изменением имен физических величин. Совокупность всех возможных значений физической величины и ее признаков образует область изменения значений. Значения физических величин, образующие информационный массив, называются его элементами. Элементы, относящиеся к одной физической величине, называются элементами одного вида. Множество элементов информационного массива рассматривается как вне каких-либо структур, так и структурно. Для автоматической обработки данных требуется их структуризация. Задать структуру на множестве - это значит определить систему вложений подмножеств так, чтобы самые простые подмножества состояли из одного элемента. Способ введения структуры должен допускать строгое описание и быть естественным, т.е. опирающимся на существенные в содержательном смысле свойства элементов информационных массивов. Этим требованиям удовлетворяет процесс классификации, который выполняется в несколько этапов. На первом этапе исходное множество на основании определенного критерия разбивается на ряд непересекающихся подмножеств, которые называются подмножествами первого уровня. На следующем этапе каждое подмножество первого уровня на основании другого критерия (общего для всех подмножеств) разбивается на ряд подмножеств второго уровня и т.д., пока не образуются подмножества, состоящие из одного элемента.
Расчет теплопроводности меха и тканей
При исследовании теплопроводных характеристик покровных тканей организма северного оленя рядом авторов [166, 140] была установлена определяющая роль "оболочки" в поддержании температурного гомеостаза животного в условиях Арктики. В то же время результаты исследования терморегуляторной роли меха довольно разноречивы, роль отдельных гидрометеорологических факторов, определяющих общую термоизоляцию организма, не описана. Расчеты на модели показали, что морфофункциональные механизмы регулирования теплоизоляционных свойств покровных тканей, такие как пилоэрекция, вазомоторные процессы, линька, эффективны в довольно узкой области естественных условий. Например, влияние меха как терморегулятора в энергетическом выражении значительно уже размаха колебаний энергозатрат, обусловленных внутригодовым изменением основных климатических параметров. Свойства меха, дермы, подстилающих слоев жира и эпителия у северного оленя с морфологической точки зрения весьма специфичны. Трубчатая структура остевых волос, густой пуховой слой, жировые отложения, достигающие нескольких сантиметров, с развитой сетью сосудистого русла, гипотермическая специфика дистальных отделов влияют на параметры теплопереноса из организма в окружающую среду и описаны в модели на уровне макрокомпартментального представления.
При проведении численных экспериментов рассмотрены следующие варианты: оценка влияния температуры и ветра на теплопроводность меха, оценка теплопроводности меха отдельных компартментов, оценка влияния сопротивления тканей на тепловой поток.
На рис. 5.1. показана изменчивость теплопроводности меха в зависимости от температурно-ветрового фактора. При уменьшении температуры линейно
увеличивается толщина меха животных и соответственно его термоизоляция. Однако этот рост не может компенсировать возрастание теплоотдачи при увеличении температурного градиента воздух-организм и тем более уменьшение термоизоляции меха при усилении ветра.
В различных отделах тела толщина меха значительно изменяется. При 40 С на боку она достигает 5-6 см., на заднем и переднем путе - на порядок меньше. На носовом зеркале волосяной покров отсутствует.
Изменения теплопроводности меха в зависимости от толщины меха показаны на рис. 5.2.. Эти изменения имеют такой же диапазон, как при изменении термоизоляции меха в интервале ветров 0-30 м/с. Это указывает на необходимость выделять при моделировании отдельные компартментальные блоки при описании различных участков тела, для которых величина мала. Для расчетов использовался блок 1 с табулированными входными значениями ТВ, U. Изменение км на различных участках тела обеспечивает возрастание плотности энергетического потока в области "тепловых окон" в 4 раза по сравнению с зонами максимальной
Похожие диссертации на Разработка моделей и методов для оценки влияния климатических факторов на животных
