Новая математическая модель позволила ученым объяснить особенности структуры тропических лесов - «Наука и технологии»

Одной из достаточно важных проблем современной экологии является объяснение невероятно сложной структуры тропических лесов, которые, как известно, являются вторым после мирового океана источником кислорода на нашей планете. Одной из составляющих вышеуказанной проблемы является распределение в лесах деревьев различных размеров, что позволяет приблизительно оценить количество содержащейся в них биомассы. Группа из Центра экологических исследований имени Гемгольца (Helmholtz Centre for Environmental Research, UFZ) разработала достаточно сложную математическую модель, которая позволяет объяснить распределение деревьев в лесу и представляет все это в достаточно наглядном виде. Разработчики модели использовали принципы стохастической геометрии, которые дают возможность оценить структуру естественных лесов, вычислить темпы роста биомассы и оценить ее количество.

Более ста лет задача определения распределения деревьев разных размеров была лишь уделом лесников и ученых-экологов. "Мы решили разработать математический метод, позволяющий объяснить некоторые процессы, протекающие в недрах лесов" - объясняет доктор Франциска Тауберт (Dr. Franziska Taubert), которая работала совместно с учеными из Лейпцигского университета и Технологического института Карслруэ. Разработанные принципы распределения позволили математической модели беспорядочно разместить на свободной виртуальной поверхности деревья различных размеров. При этом, модели не разрешалось допускать взаимного пересечения крон деревьев. Получившийся таким образом виртуальный лес практически не отличается по структуре от леса естественного происхождения и эти данные были использованы для определения плотности распределения деревьев по площади.

"Многие модели леса имеют динамические составляющие, учитывающие рост, регенерацию, конкурирование и смертность деревьев. Кроме этого, в них учитываются распределение света, воды и питательных вещество в почве" - рассказывает доктор Тауберт, - "Такие модели невероятно сложны и они оперируют поистине гигантскими объемами информации. Мы решили использовать кардинально другой подход, основанный на геометрии и пространственных структурах. Этот более простой подход уже продемонстрировал свою эффективность, создав при помощи принципов стохастической геометрии виртуальный лес, который является точной копией лесов в Панаме или на Шри-Ланке".

Созданная модель дала ученым в руки некоторые неожиданные результаты. Оказалось, что на самом деле средняя плотность корон деревьев на 15-20 процентов ниже, нежели было принято считать ранее. "В частности, средний и более низкий уровень зеленого покрова тропического леса заполнены кронами деревьев менее плотно. Самая большая плотность, которая составляет 60 процентов от объема, наблюдается на высоте деревьев от 25 до 40 метров. И это полностью соответствует принципам стохастической геометрии и реальным данным, собранным учеными в различных лесах".

Теория, которая легла в основу математической модели, открывает перед учеными множество перспектив. В ближайшем времени ученые планирую оценить то, как эта модель может быть применена по отношению к лесам умеренной и арктической зоны. И, данные, получаемые этой моделью, позволят ученым-экологам обнаруживать места нарушений экологического баланса, которые приводят, в свою очередь, к нарушениям гармонии лесной среды. Кроме этого, простота новой математической модели, которая не оперирует огромными объемами информации, позволяет производить ее расчеты на компьютерах не самой большой мощности. Это, в свою очередь, позволит более широкому кругу использовать эту модель, производить расчеты быстрее и быстрее выявлять места, ситуация в которых требует немедленного вмешательства человека.