Мультифрактальная структура раскрывает законы глобальных изменений на Земле
Согласно недавнему исследованию, проведенному международной группой ученых под руководством геолога и палеонтолога Андрея Спиридонова из Вильнюсского университета, события, лежащие в основе деления геологического времени на эоны, эры, периоды и эпохи, следуют скрытой иерархической структуре, которая ранее оставалась незамеченной. Эта структура, как выяснилось, обладает мультифрактальными свойствами и может служить ключом к пониманию как прошлых, так и будущих глобальных изменений на Земле.
На первый взгляд, геологическая шкала времени, представленная в учебниках, выглядит как упорядоченная временная линия с четко обозначенными границами между различными временными интервалами. Однако, как отмечают ученые, реальность значительно сложнее: границы между геологическими периодами отражают не столько линейное развитие, сколько хаотичную и неравномерную историю планеты, насыщенную катастрофами, массовыми вымираниями, климатическими переворотами и биологическими революциями. Эти события, варьирующиеся по масштабу и интенсивности, зачастую кажутся случайными и непредсказуемыми. Тем не менее, новое исследование показывает, что за этой видимой случайностью скрывается закономерность.
Ученые сосредоточились на фанерозойском эоне — временном интервале, охватывающем около 540 миллионов лет, в течение которого началась активная эволюция сложных форм жизни. Этот эон включает палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры и является наиболее изученным с точки зрения стратиграфии и палеонтологии. Исследователи использовали официальные временные границы, утвержденные Международной комиссией по стратиграфии, а также проанализировали данные о стратиграфических диапазонах морских организмов, таких как конодонты, аммоноидеи, граптолиты и известковый нанопланктон. Эти ископаемые играют ключевую роль в определении хронологических границ благодаря своей широкой распространенности и быстрой эволюции.
Анализ показал, что события, определяющие переходы между геологическими единицами, не распределены равномерно во времени. Вместо этого они образуют кластеры — скопления, разделенные длительными периодами относительного спокойствия. Такое неравномерное распределение указывает на наличие мультифрактальной динамики, при которой изменчивость масштабируется по каскадному принципу: малые события вписываются в более крупные, а те, в свою очередь, в еще более масштабные процессы. Это означает, что колебания в земной системе, от локальных экологических сдвигов до глобальных катастроф, подчиняются общей математической логике, в которой проявляется иерархическая структура.
Исследователи поясняют, что интервалы между ключевыми событиями в истории Земли — будь то массовые вымирания, внезапные расцветы биоразнообразия или резкие климатические изменения — не являются случайными. Они следуют мультифрактальному принципу, что позволяет предположить, что динамика планеты устроена не как набор изолированных катастроф, а как система, в которой нарушения разных масштабов взаимосвязаны и организованы иерархически.
Одним из важнейших выводов исследования стало определение так называемой «внешней шкалы времени» Земли — минимального временного интервала, необходимого для того, чтобы охватить полный спектр естественной изменчивости нашей планеты. Исследователи пришли к выводу, что для адекватного понимания всей ширины возможных состояний земной системы — от длительных периодов стабильности до экстремальных глобальных потрясений — требуется анализ данных, охватывающих не менее 500 миллионов лет. В идеале, такой анализ должен опираться на миллиардо-летний временной контекст.
Этот вывод имеет серьезные последствия для интерпретации современных процессов. Человеческая цивилизация возникла и развивалась в относительно короткий и спокойный период земной истории, что может вводить в заблуждение относительно того, насколько стабильна планета в долгосрочной перспективе. Ограниченность нашего опыта не позволяет увидеть полную картину возможных экстремумов — от резких изменений климата до катастрофических вымираний. Без учета более глубокого временного контекста прогнозы о будущем состоянии Земли могут оказаться чрезмерно оптимистичными или недооценивать масштабы возможных изменений.
Для описания выявленной структуры ученые разработали новую математическую модель, которую они назвали «составным мультифрактально-пуассоновским процессом». Эта модель учитывает как случайность отдельных событий, так и их иерархическую организацию, позволяя объяснить, почему геологические события группируются в кластеры, которые, в свою очередь, вложены в более крупные кластеры. Такой подход демонстрирует, что земная система не просто подвержена случайным нарушениям, но обладает внутренней структурой, в которой изменения передаются по масштабной иерархии.
Исследователи подчеркивают, что полученные результаты — это не просто теоретическое упражнение, а важный шаг к более глубокому пониманию динамики планеты. Математическое подтверждение иерархической природы геологических изменений означает, что мы можем начать рассматривать Землю как систему с определенными закономерностями, даже в условиях, казалось бы, полного хаоса. Это открывает новые возможности для прогнозирования будущих планетарных изменений, включая климатические сдвиги, биологические кризисы и геологическую активность.
Исследование, опубликованное в журнале Earth and Planetary Science Letters, имеет широкое значение не только для геологии и палеонтологии, но и для смежных дисциплин, таких как климатология, экология и планетология. Оно призывает к более масштабному и системному подходу к изучению истории Земли и подчеркивает необходимость опираться на долгосрочные данные при моделировании будущего. Понимание мультифрактальной природы земных процессов может стать основой для создания более надежных моделей, способных учитывать как устойчивость, так и хрупкость нашей планеты в контексте ее многомиллиардной истории.