4．2．3 地球系统的非线性特征与混沌现象

地球系统的混沌现象是普遍存在的，尤其在天气预报、地震预报及社会经济预测中，广泛提到了混沌理论概念。

1．基本概念

混沌又被称为“混沌学”、“纷乱学”、“紊乱学”和“杂乱学”，它虽然早已出现在很多领域的论文中，但是至今尚未建立起能够普遍接受的定义。“混沌”这个术语，首先是由美国气象学家E．N．Loren于1963年提出来的。他发现在一非线性动态系统的相空间中，在一定的参数范围内，轨迹线在一个范围内作无规则现象运动中，存在着一定的规律性。Haken（1984）指出：“混沌性为来源于决定性方程的无规则运动”。I．Prigogine（1987）把混沌分为两类：一类是热混沌，即无序的热平冲（或称原始混沌）；另一类是非平衡湍流混沌。Haken也把无序的热平衡状态看作一种混沌状态。综上所述，混沌就是动力系统的不规则的、非周期的、异常复杂的运动形式；但它并不是完全无规则的，表面上看起来杂乱无章，实际上有规律可循。即自然辩证法中的偶然性和必然性的关系，偶然性是混沌的特征，但偶然性是包涵在必然性中。研究混沌理论的目的，就是发现紊乱中的规律性的条件。

2．基本理论

混沌主要讨论的是概率问题，或随机性问题。混沌不是简单的无序或混乱，而是没有明显的周期性和对称性，但同时又有丰富的内部层次性和有序性，无序状态中存在着一定的规律性。即无序中包含着有序，有序中又包含着无序的行为。

根据苗东升教授及其他学者的观点进行总结和归纳，混沌的基本要点有：

（1）混沌是非线性系统的控制参量按一定向不断变化而达到某种极限情形的一种结构状态，是一种非周期性的运动。

（2）混沌不是一片紊乱，而是一种没有明显周期性和对称性的有序状态，是具有一定的层次性的有序性，在无序状态中有在着一定的规律性。

（3）在现实世界中对称性是非常复杂的，且存在各种类的对称性，彼此交织在一起。在系统演化中，有些现象在一定条件下表现出很高的对称性，但在另一种情况则相反，周期性和对称性很不明显。

因此，混沌研究的基本内容有：

（1）从系统的紊乱事物中寻求规律性；

（2）偶然性、随机性蕴育于必然性之中，从偶然的随机的事态中通过统计方法寻找无序中的有序性；

（3）判别系统中的动力随机性与内在随机性行为；

（4）研究混沌现象对初值的敏感依赖性：从两个非常接近的初值出发的两条轨迹线，在经过一段时间演化后可变得相距甚远，诚所谓“失之毫厘，差之千里”，表现出轨迹线对初值的极端敏感性。

3．基本方法

混沌理论的特点是把决定论和概率论，两者相统一起来解决复杂问题的方法论。在混沌中寻找有序的、规律性的方法是：

第一，将“紊乱”、“无序”、“无规则”现象划分为层次；找到层次后自按层次寻找规律；

第二，将“紊乱”、“无序”现象进行统计，即采用概率方法找出混沌中的规律。

4．地球系统中的混沌现象

科学家认为解决复杂的巨系统问题，应该运用混沌理论和方法。例如，牛津大学生态学家Robert May用混沌理论预测了非洲野生动物的数量的变化，纽约州立大学布法罗分校的来尔开尔·谢里丹使用混沌的类推模式预测了墨西哥利马火山的喷发等，都有较好的效果。但天气预报、地震预报及道琼斯工业股标指数变化等方面，虽然运用混沌理论和方法进行了研究，尚未见明显的成功效果。