...

ג הנש הקיזיפב טקייורפ ' לע םיעקשמה רטשמ תנצקה לש ותעפשה

by user

on
Category: Documents
6

views

Report

Comments

Transcript

ג הנש הקיזיפב טקייורפ ' לע םיעקשמה רטשמ תנצקה לש ותעפשה
‫פרוייקט בפיזיקה שנה ג'‬
‫מגיש‪ :‬מני גבאי‬
‫שם המנחה‪:‬פרופ' אהוד מירון‬
‫השפעתו של הקצנת משטר המשקעים על‬
‫יציבותן של תבניות צמחים‬
‫אינדקס‬
‫‪ .1‬הקדמה‬
‫‪3‬‬
‫‪ .2‬רקע‬
‫‪4‬‬
‫‪ 2.1‬הקדמה ומטרת הפרויקט‪4.......................................................‬‬
‫‪ 2.2‬משוואות המודל‪4..................................................................‬‬
‫‪ 2.3‬הפאראמטרים במודל‪5............................................................‬‬
‫‪ 2.4‬הצורה חסרת המימדים של המודל‪7...........................................‬‬
‫‪ 2.5‬רקע תאורתי‪8.......................................................................‬‬
‫‪ .3‬הפרוייקט‬
‫‪11‬‬
‫‪ 3.1‬הקדמה‪11..............................................................................‬‬
‫‪ 3.2‬מהלך עבודה וניתוח תוצאות‪11..................................................‬‬
‫‪ 3.3‬מסקנות וסיכום‪15...................................................................‬‬
‫ביביולוגרפיה‬
‫‪.1‬הקדמה‬
‫מחקר של צמחים מראה‪ ,‬שצמחים הם אחד מהמרכיבים החיוניים של מערכות אקולוגיות‪.‬‬
‫שאלות עיקריות על איך מערכות איקולוגיות מתנהגות יכולות להיות מופנות להתנהגות‬
‫הצמחים‪ .‬דוגמאות חשובות הם‪ ,‬ההתארגנות העצמית של אוכלוסיות צמחים באזורים‬
‫צחיחים וחצי צחיחים על מנת ליצור תבניות צמחיה‪ ,‬תגובה פתאומית של הצמחיה לשינוים‬
‫בסביבה ]‪ [6,4‬ותגובה להקצנת תנאי הסביבה ]‪.[1,2‬‬
‫אחת הבעיות בחקירת תכונות של מערכות אקולוגיות היא שחקירת תכונותיו של צמח‬
‫בודד אינה מספקת הסבר למספר תכונות של המערכת כולה כמו הווצרות ויציבות של‬
‫תבניות צמחיה ]‪ ,[7‬גיוון מינים בין הצמחים‪ .‬תופעות אלו יכולות להווצר מהדינמיקה‬
‫הקבוצתית של המערכת‪ .‬דוגמה לתבניות צמחייה היא הווצרות פסים של צמחייה על קרקע‬
‫משופעת‪ ,‬תופעה שנצפתה באזורים צחיחים וחצי צחיחים במקומות שונים בעולם‪.‬‬
‫ניתן להסביר הווצרות כזו של תבניות צמחייה ללא תלות בהטרוגניות של הסביבה‪ ,‬בעזרת‬
‫מודל מתמטי שכולל תחרות בין צמחים על משאבים‪ ,‬או חיזוק חיובי בין ביומסה של‬
‫צמחים ומים ]‪ ,[8‬כלומר כאשר גדלה כמות הביומסה גדלה איתה גם כמות המים‪.‬‬
‫מטרת הפרוייקט היא‪ ,‬לנתח בעזרת מודל מתמטי את נקודת המעבר בציר המשקעים‬
‫הממוצעים בין מצב יציב של תבנית צמחייה למצב יציב של קרקע חסופה כתוצאה‬
‫מהקצנת משטר המשקעים השנתי‪.‬‬
‫בפרוייקט זה נשתמש במודל המתמטי שהוצג ע"י א‪.‬גילאד ו א‪.‬מירון]‪ .[9‬המודל משתמש‬
‫בשלושה חיזוקים חיוביים בין ביומסה צמחית ומים‪ .‬הראשון‪ ,‬גדילת משאבי המים עם‬
‫גדילת הביומסה‪ ,‬שאותו ניתן ליחס להפחתת אידוי המים כתוצאה מהצללה‪ .‬השני‪ ,‬הגדלת‬
‫חדירות המים לקרקע באזורים הצמחיים‪ ,‬והשלישי הוא התארכות השורשים של הצמחים‬
‫הגדלים‪.‬‬
‫מודל זה משתמש בשלושה משתנים דינמיים המיצגים את הביומסה הצמחית‪ ,‬כמות המים‬
‫בקרקע ושכבת מים מעל הקרקע‪.‬‬
‫לעומת מודלים אחרים המשתמשים במשתנה דינמי אחד המייצג את הביומסה ]‪ [10,11‬או‬
‫שני משתנים המיצגים מים בקרקע וביומסה ]‪ ,[12,13‬מודל זה הוא הראשון מסוגו‬
‫שמבדיל בין מים בקרקע לשכבת המים הנמצאת מעל לקרקע וצופה מצבים יציבים נוספים‬
‫של תבניות צמחייה‪ ,‬מה שעושה אותו המודל המתאים ביותר לפרוייקט זה‪ .‬המדול יוסבר‬
‫ביתר פירוט בפרק ‪.2‬‬
‫בעזרת המודל נצפה להבהיר את תופעת התגובה הפתאומית של מערכות לשינויים קטנים‬
‫והדרגתיים בתאיים הסביבתיים‪ .‬תגובה זו מפורשת כמעבר בין שתי נקודות יציבות‬
‫מנוגדות בעקבות שינוי קטן במשתנה‪ .‬לדוגמה תופעת המדבור באזורים צחיחים ]‪[14‬‬
‫יכולה לקרות כאשר יש מעבר בין מצב של תבנית כתמים של צמחיה למצב של קרקע‬
‫חסופה בעקבות שינוי קטן במשאב המים‪ .‬דוגמה זו היא בעלת עניין מרכזי לפרויקט ונדון‬
‫בה בהמשך בפרק ‪ ,3‬שבו מוסבר גם תהליך העבודה‪ ,‬ניתוח התוצאות‪ ,‬ונסיים בהצאת‬
‫כיוונים למחקר בעיות נוספות‪.‬‬
‫‪ .2‬רקע‬
‫‪ 2.1‬הקדמה‬
‫המודל שנשתמש בפרוייקט זה מכיל מערכת של שלוש משוואות דיפרנציאליות חלקיות‬
‫לא לינאריות‪ ,‬המכילות ביטויים לא מקומיים בצורת אינטגרל מרחבי‪ .‬אינטגרלים אלו‬
‫מדמים את החיזוק החיובי )התארחות השורשים כשהצמח גדל(‪.‬‬
‫את משוואות המודל נפתור בעזרת איטגרציה נומרית‪ .‬על מנת לפתור את האינטגרל הלא‬
‫לוקאלי בכל יחידת זמן מצטרך לעשות כמות עצומה של חישובים הדורשת שימוש במחשב‬
‫בעל יכולות ביצוע גבוהות ופיתוח אלגוריטים נומרי מהיר‪.‬‬
‫‪ 2.2‬משוואות המודל‬
‫צורת המודל המוצגת בפרק זה היא עבור מין אחד‪ ,‬המודל יכול להיות מורחב לכלול מספר‬
‫מינים אך לא נזדקק לכך בפרוייקט זה‪" .‬פאטש" בהקשר למודל זה מוגדר להיות אזור‬
‫המכוסה ע"י צמח שבדר"כ שונה בכמות במים מהסביבה החסופה שלו‪.‬‬
‫שלושת המשתנים של המודל הם ]) ‪ , [ B( X , T‬המייצג את צפיפות הביומסה מעל הקרקע‬
‫ביחידות של ] ‪, [kg / m 2‬צפיפות המים בקרקע ‪ [W ( X , T )] ,‬המיצג את כמות המים הנמצאת‬
‫ביחידת שטח ביחידות של ] ‪ . [kg / m 2‬כמות המים מעל פני המים ]) ‪ , [ H ( X , T‬המתאר‬
‫שכבה דקה של מים מעל הקרקע ביחידות של ]‪ . [mm‬המשקעים מיוצגים בצורה‬
‫פאראמטרית‪.‬‬
‫משוואות המודל הם‪:‬‬
‫‪BT = GB B(1 − B / K ) − MB + DB∂2 B‬‬
‫‪WT = IH − N (1 − RB / K )W − GWW + DW ∂2W‬‬
‫) ‪HT = P − IH + DH ∂2 ( H 2‬‬
‫כאשר הביטוי ‪ T‬מציין גזירה חלקית בזמן‪ .‬הביטוי ] ‪ GB [ yr −1‬מציין את קצב גידול‬
‫הביומסה כאשר ] ‪ K [kg / m 2‬הוא הביומסה המקסימאלית‪ .‬הביטוי ] ‪ GW [ yr −1‬מציין את‬
‫צריכת המים מהקרקע‪ ,‬הביטוי ] ‪ I [ yr −1‬מציין את קצב חילחול המים אל הקרקע והפרמטר‬
‫] ‪ P[mm / yr‬מציין את כמות המשקעים‪ .‬הפאראמטר ] ‪ N [ yr −1‬מתאר את קצב אידוי‬
‫המיים‪ ,‬כאשר ‪ R‬מתאר את ההפחתה באידוי כתוצאה מהצללה‪ .‬הפארמטר ] ‪M [ yr −1‬‬
‫מתאר את קצב איבוד הביומסה כתוצאה ממוות‪ .‬הביטוי ‪ DB ∂ 2 B‬מתאר את קצב‬
‫התפשטות הזרעים כאשר הביטוי ‪ DW ∂ 2W‬מתאר מעבר המים באדמה לא רבויה ]‪.[18‬‬
‫לבסןף הפאראמטר ]) ‪ DH [m 4 /( yr ⋅ kg‬מתאר את מקדם החיכוך בין המים מעל הקרקע‬
‫לקרקע עצמה‪.‬‬
‫הערה‪ :‬במשוואות המודל המקוריות ישנה תלות בשיפוע הקרקע אך מכיוון שבפרויקט זה‬
‫השיפוע הוא אפס‪ ,‬במשוואות לא מופיעים האיברים שתלויים בשיפוע‪.‬‬
‫‪ 2.3‬הפאראמטרים במודל‬
‫התלות המפורשת של קצב חילחול המים שמעל פני הקרקע אל הקרקע בצפיפות הביומסה‬
‫הינו ]‪:[17,16,15‬‬
‫‪B( X , T ) + Qf‬‬
‫‪B( X , T ) + Q‬‬
‫‪I ( X ,T ) = A‬‬
‫כאשר ] ‪ A[ yr −1‬מייצג את קצב החילחול בקרקע מכוסה באופן אחיד‪ Q[kg / m 2 ] ,‬מייצג‬
‫ביומסה שבה הצמח מתקרב ליכולתו המקסימאלית להגדיל את החילחול‪ ,‬זו תכונה של הצמח‬
‫המתאפיינת לדוגמה מרוחב העלים‪ f ,‬מגדיר את ההבדל בחילחול בין קרקע חסופה לקרקע‬
‫מכוסה באופן אחיד‪ ,‬ויכול לתאר קרום ביולוגי‪ .‬כולם פאראמטרים קבועים‪.‬‬
‫קצב הגידול ‪ GB‬בנקודה ‪ X‬בזמן ‪ T‬הינו מהצורה‪:‬‬
‫‪GB ( X , T ) = Λ ∫ Ω G ( X , X ', T )W ( X ', T )dX ',‬‬
‫‪1‬‬
‫‪| X − X ' |2‬‬
‫[‪exp‬‬
‫‪−‬‬
‫‪],‬‬
‫‪2π S02‬‬
‫‪2[ S0 (1 + EB( X , T ))]2‬‬
‫= ) ‪G ( X , X ', T‬‬
‫כאשר האינטגרציה נעשית על כל התחום ‪ Ω‬והביטוי ) ‪ G ( X , X ', T‬מנורמל כך שעבור ‪B = 0‬‬
‫האינטגרציה על התחום כולו שווה לאחד‪ .‬שים לב שקצב הגידול אינו תלוי רק בכמות המים‬
‫הנמצאת במיקום הצמח אלה גם בסביבתו‪ ,‬גודל הרוחב של הגאוסיאן מתאר את אורך‬
‫השורשים כאשר ‪ S0‬הוא אורך השורשים המינימלי ו ] ‪ E[(kg / m 2 ) −1‬הוא הגידול עבור יחידת‬
‫ביומסה‪.‬‬
‫הביטוי עבור קצב צריכת המים מהאדמה בנקודה ‪ X‬בזמן ‪ T‬הוא‪:‬‬
‫‪GW ( X , T ) = Γ ∫ Ω G ( X ', X , T ) B ( X ', T )dX '.‬‬
‫שים לב ש ) ‪ . G ( X ', X , T ) ≠ G ( X , X ', T‬קצב צריכת המים מהאדמה תלוי בנקודה מסוימת‬
‫בכל הצמחים שהשורשים שלהם מגיעים עד נקודה זו‪ .‬הפאראמטר ‪ Γ‬הוא ביחידות של‬
‫] ‪ [(kg / m 2 ) yr −1‬ומודד את צריכת המים ליחידת ביומסה ‪.‬‬
‫כל הפאראמטרים מסוכמים בטבלה ‪:2.1‬‬
‫יחידות‬
‫פאראמטר‬
‫‪K‬‬
‫‪Q‬‬
‫‪2‬‬
‫‪kg / m‬‬
‫‪2‬‬
‫‪kg / m‬‬
‫‪M‬‬
‫‪yr −1‬‬
‫‪A‬‬
‫‪N‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪yr‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪yr‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪E‬‬
‫‪Λ‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪Γ‬‬
‫‪−1‬‬
‫) ‪( kg / m‬‬
‫‪( kg / m ) yr‬‬
‫‪( kg / m ) yr‬‬
‫‪2‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪DB‬‬
‫‪m 2 / yr‬‬
‫‪DW‬‬
‫‪m 2 / yr‬‬
‫‪DH‬‬
‫) ‪m 4 / ( yr ⋅ kg‬‬
‫‪S0‬‬
‫‪m‬‬
‫‪P‬‬
‫‪R‬‬
‫‪f‬‬
‫‪2‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪yr ⋅ kg / m‬‬
‫‬‫‪-‬‬
‫תאור‬
‫ביומסה מקסימאלית אפשרית עבור כל יחידת שטח‬
‫חילחול מתחת ליחידת שטח של ביומסה‬
‫קצב איבוד הביומסה‬
‫קצב חילחול בקרקע עם כיסוי אחיד‬
‫קצב אידוי של המים בקרקע‬
‫התארכות השורשים ליחידת ביומסה‬
‫קצב גידול הביומסה ליחידת מים בקרקע‬
‫קצב צריכת המים ליחידת ביומסה‬
‫מקדם התפשטות זרעים‬
‫מקדם התפשטות המים בקרקע‬
‫מקדם חיכוך בין המים בקרקע למים על פני השטח‬
‫אורך שורשים מינימאלי‬
‫קצב המשקעים‬
‫ירידה באידוי בעקבות הצללה‬
‫יחס בין חילחול באדמה חסופה לאדמה מכוסה‬
‫טבלה ‪2.1‬‬
‫בפרק זה פאראמטר המשקעים מייצג ממוצע משקעים שנתי‪ .‬הקירוב מוצדק עבור מינים כמו‬
‫שיחים‪ ,‬שזמן קצב הגידול שלהם הוא בסדר גודל הרבה יותר גדול מסדר גודל הזמן של שינוי‬
‫במשקעים‪ .‬בפרק ‪ 3‬פאראמטר המשקעים מקבל צורה של גאוסיאן מחזורי‪ ,‬כאשר זמן המחזור‬
‫שלו הוא שנה אחת‪ ,‬על מנת לדמות את השינוי בגשם במשך השנה‪ .‬רוחב הגאוסיאן מתאר את‬
‫מספר החודשים הגשומים בשנה‪.‬‬
‫‪ 2.4‬הצורה חסרת המימדים של המודל‬
‫יותר פשוט לנתח את משוואות המודל בעזרת משתנים ופראמטרים חסרי מימד‪ .‬על ידי‬
‫שינוי הפאראמטרים והמשתנים כמתואר בטבלה ‪ 2.2‬אנו מקבלים את המודל בצורה הבאה‬
‫‪bt = G b b (1 − b ) − µ b + δ b ∂ 2 b‬‬
‫‪wt = Ih − ν (1 − ρ b ) w − G w w + δ w ∂ 2 w‬‬
‫) ‪ht = ρ − Ih + δ h ∂ 2 ( h 2‬‬
‫כאשר ‪ t‬ו ) ‪ x = ( x, y‬הם קורדינטות הזמן והמקום חסרי המימד‪ ,‬ו ‪. x ' = ( x ', y ') , ∂ 2 = ∂ 2x + ∂ 2y‬‬
‫קצב החילחול מקבל את הצורה‪:‬‬
‫‪b( x, t ) + qf‬‬
‫‪b ( x, t ) + q‬‬
‫‪I ( x, t ) = α‬‬
‫קצב הגידול של הביומסה וקצב צריכת המים מהקרקע הינם‪:‬‬
‫‪Gb ( x, t ) = ν ∫ Ω g ( x, x ', t ) w( x ', t )dx ',‬‬
‫‪Gw ( x, t ) = γ ∫ Ω g ( x ', x, t )b( x ', t )dx ',‬‬
‫‪1‬‬
‫‪| x − x ' |2‬‬
‫‪exp[−‬‬
‫]‬
‫‪2π‬‬
‫‪2(1 + η b( x, t )) 2‬‬
‫= ) ‪g ( x, x ', t‬‬
‫פאראמטר חסר מימד‬
‫יצוג בפראמטרים‬
‫בעלי מימד‬
‫פאראמטר חסר מימד‬
‫יצוג בפראמטרים‬
‫בעלי מימד‬
‫‪b‬‬
‫‪ω‬‬
‫‪B/K‬‬
‫‪ΛW / N‬‬
‫‪p‬‬
‫‪δb‬‬
‫‪ΛP / MN‬‬
‫‪DB / MS02‬‬
‫‪h‬‬
‫‪q‬‬
‫‪ΛH / N‬‬
‫‪Q/K‬‬
‫‪δw‬‬
‫‪DW / MS02‬‬
‫‪ν‬‬
‫‪α‬‬
‫‪η‬‬
‫‪γ‬‬
‫‪N /M‬‬
‫‪A/ M‬‬
‫‪EK‬‬
‫‪ΓK / M‬‬
‫‪δh‬‬
‫‪ζ‬‬
‫‪ρ‬‬
‫‪DH N / M ΛS02‬‬
‫‪t‬‬
‫‪x‬‬
‫‪ΛZ / N‬‬
‫‪R‬‬
‫‪MT‬‬
‫‪X / S0‬‬
‫טבלה ‪2.2‬‬
‫‪ 2.5‬רקע תיאורתי‬
‫על מנת למצא התנהגות מערכת ראשית נרצה לדעת עבור אלו משקעים המערכת משנה את‬
‫מצבה היציב בקרקע חסופה למצב של קרקע מכוסה‪ .‬נבחר תנאי התחלה של קרקע חסופה‬
‫כלומר ‪ b( x, t ) = 0‬ונפתור את משוואות המודל‪ .‬עבור תנאי התחלה זה ניתן לפתור את‬
‫המשוואות אנליטית עלידי איפוס התלות במקום ובזמן‪.‬‬
‫נקבל את המשוואות הבאות‪:‬‬
‫‪IH = P ; W = IH / N = P / N ; G B = Λ P / N‬‬
‫והמשוואה עבור ‪ B‬הופכת ל‪:‬‬
‫‪BT = (GB − M ) B = (ΛP / N − M ) B = M ( p − 1) B‬‬
‫כאשר ‪ p = ΛP / MN‬הוא פאראמטר המשקעים חסר המימד‪.‬‬
‫מכאן נקבל‪:‬‬
‫] ‪B = B0 exp[ M ( p − 1) B‬‬
‫הביטוי )‪ M ( p − 1‬קובע את קצב הגידול‪ ,‬וניתן לראות שכל עוד ‪ p < 1‬הביטוי שלילי והצמח‬
‫אינו יכול לגדול‪ .‬כאשר ‪ p ≥ 1‬הצמח יכול לגדול‪ ,‬והמצב של קרקע חסופה אינו יציב יותר ‪.‬‬
‫הנקודה ‪ p = 1‬בגרף של )‪ B( p‬נקראת ‪ pC‬והיא תמיד שווה לאחד עבור הערך חסר המימדים‬
‫של המשקעים‪.‬‬
‫נסתכל על נקודה על ציר המשקעים שערכה קטן מהנקודה ‪ , pC‬ונבחר תנאי התחלה השונים‬
‫מ ‪ , b( x, t ) = 0‬המערכת יכולה להתפתח לשני כיוונים כתלות בתנאי ההתחלה‪ ,‬אם כמות‬
‫הביומסה נמוכה בהתחלה‪ ,‬המערכת לא תתאושש ותתיצב במצב של קרקע חסופה‪ ,‬עבור‬
‫מספיק ביומסה‪ ,‬המערכת תתיצב במצב של תבנית או כיסוי מלא של הקרקע‪.‬‬
‫על מנת לבדוק מהי כמות המשקעים הממוצעת המינימלית הדרושה על מנת שהתבנית תשאר‬
‫יציבה‪ ,‬נקטין כעט את כמות המשקעים בצורה הדרגתית עד שהמערכת דועכת למצב של קרקע‬
‫חסופה והנקודה על ציר המשקעים שבה המערכת דועכת נקראת ‪. p1‬‬
‫‪Biomass‬‬
‫‪Vegetation‬‬
‫‪pattern‬‬
‫‪Uniform‬‬
‫‪cover‬‬
‫‪p‬‬
‫‪pC = 1‬‬
‫תמונה ‪ :1‬ביסטביליות בין תבנית צמחיה וקרקע חסופה‬
‫וביפורקציה קריטית בין קרקע חסופה לכיסוי אחיד‬
‫‪p1‬‬
‫על מנת למצא את השפעת הקצנת משטר המשקעים נשתמש בפונקציה מחזורית בעלת מחזור‬
‫של שנה‪ ,‬כאשר בכל מחזור תהיה הפונקציה גאוסיאן‪.‬‬
‫פארמטר המשקעים חסר המימד יהיה מן הצורה‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪(t − ) 2‬‬
‫] ‪2‬‬
‫‪p = C exp[−‬‬
‫‪2σ 2‬‬
‫כאשר ‪ t‬ילך מ ‪ 0‬עד שנה בזמן חסר מימד‪ ,‬והפאראמטר ‪ σ‬יתאר את מספר החודשים‬
‫הגשומים בשנה‪ .‬מרבית הגשם מרוכז בעונה הגשומה והשארית ידמה לחות או טל‪ .‬הפאראמטר‬
‫‪ C‬ינורמל כך שכמות הגשם הכוללת בשנה תהיה שווה לכמות הגשם היורדת עבור פאראמטר‬
‫משקעים קבוע‪ .‬משקעים אחידים מדומים בפרויקט עלידי ‪. σ = 1‬‬
‫‪p‬‬
‫‪1.4‬‬
‫‪1.2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪0.8‬‬
‫‪0.6‬‬
‫‪0.4‬‬
‫‪0.2‬‬
‫‪t‬‬
‫‪12‬‬
‫‪10‬‬
‫‪8‬‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫תמונה ‪ :2‬פונקצית הגאוסיאן עבור מחזור של שנה אחת כאשר כל צבע‬
‫מתאר אורך עונה גשומה שונה‪ ,‬כלומר ‪ σ‬שונה‪ ,‬בתמונה גרפים עבור‬
‫‪ 2,3,4,6,8,12‬חודשים גשומים‪ ,‬וככל ש ‪ σ‬קטן רוחב הגאוסיאן קטן‬
‫והערך המקסימאלי שלו גדל‬
‫‪.3‬הפרויקט‬
‫‪ 3.1‬הקדמה‬
‫הווצרות של תבנית צמחים ממין אחד או ממספק מינים יכולה לעזור לצמחים לשרוד‬
‫בממוצע משקעים נמוך יותר מאשר זה הדרוש בשביל כיסוי אחיד של הקרקע בצמחיה‪.‬‬
‫לדוגמה התחרות של הביומסה על מים במרכז עיגול היא גדולה מאשר זו בצדדים ולכן‬
‫ביומסה שורדת בקצות העיגול ויוצרת טבעת‪ .‬דוגמאות נוספות הם פסים על קרקע בשיפוע‬
‫]‪ [16,17‬או תבנית של נקודות‪ ,‬תבניות אלו יכולות להיות יציבות בתנאים שכיסוי אחיד‬
‫לא‪.‬‬
‫נסתכל במערכת המכילה מין אחד עם פאראמטרים המתארים עשבוני‪ ,‬ונרצה למצא‬
‫תבניות יציבות בממוצעי משקעים שונים‪ .‬המודל צופה שעבור אותה כמות משקעים‬
‫שנתית יש יותר ממצב יציב אחד ותנאי ההתחלה של המערכת יקבעו לאיזה תבנית‬
‫המערכת תתיצב‪ .‬מביסביליות זו אנו מקבלים את תופעת ההיסטרסיס‪ .‬תופעה זו קשורה‬
‫למדבור אזורים צחיחים וחצי צחיחים‪ .‬בפרק זה נבחון את השפעת הקצנת משטר‬
‫המשקעים על תופעה זו‪.‬‬
‫‪ 3.2‬מהלך עבודה וניתוח תוצאות‬
‫סימולצית המודל תעשה בעזרת קוד קיים ובמחשב בעל יכולת ביצוע גבוהה באוניברסיטת‬
‫בן גוריון‪ .‬המשוואות יפתרו בצורה נומרית כאשר הזמן חסר המימד ‪ dt‬הינו ‪ 10−5‬ומספר‬
‫הצעדים בשנה יהיה ‪. M / dt‬‬
‫לפני הרצת הסימולציה במחשב נרצה לדעת האם עבור הפאראמטרים שבחרנו יש פתרון‬
‫יציב נוסף מלבד הפתרון ההומוגני‪ .‬בעזרת קובץ ‪ MATLAB‬נפתור את משוואות‬
‫המודל עבור פתרון הומוגני‪ ,‬לאחר מכן נוסיף הפרעה מהצורה‪:‬‬
‫‪ε eωt + ikx + c.c‬‬
‫הפתרון יתן יחס דיספרסיה ) ‪ , ω (k‬ומיחס זה ניתן לראות שעבור ‪ ω‬שלילי ההפרעה תדעך‬
‫ועבור ‪ ω‬חיובי ההפרעה תתגבר בזמן‪ ,‬ונצפה לפתרון יציב לא הומגני‪.‬‬
‫על מנת לראות את השפעת הקצנת המשקעים על מערכת נרצה לבחור מינים בעלי זמן‬
‫חיים הקטן משנה אחת‪ .‬ניתן להעריך את זמן החיים מהפתרון ההומוגני ע"י הביטוי‬
‫])‪ 1/[ M ( p − 1‬שביחידות של ‪. 1/ year‬‬
‫הפאראמטרים שנשתמש בפרויקט זה מתארים צמח עשבוני עם זמן חיים נמוך יחסית‬
‫ובעלי פתרונות יציבים שונים מהפתרון הטריוויאלי של קרקע חסופה בתחום ‪. p < pC‬‬
‫הפאראמטרים מיוצגים בטבלה ‪.3‬‬
‫תחילה נמצא את הגרף עבור כמות משקעים קבועה כלומר) ‪ .( σ = 1‬נשתמש בתבנית של‬
‫כתמים בתור תנאי התחלה עבור ‪ p‬קטן במעט מ ‪ . pC‬לאחר זמן מדומה של ‪ 200‬שנה‬
‫קיבלנו תבנית יציבה של טבעות‪ ,‬כעט נקטין את ‪ p‬בהדרגתיות עד למציאת הנקודה ‪. p1‬‬
‫לאחר מכן ניקח את התבניות היציבות שקיבלנו עבור כל ערך שונה של ‪ p‬ונקטין בהדרגה‬
‫את מספר החודשים הגשומים בשנה תוך שמירה על כמות ממוצעת שנתית קבועה של‬
‫המשקעים‪ .‬הקצנה זו יכולה לדמות את המעבר מחורף ארוך לחורף קצר‪ ,‬תופעה היכולה‬
‫להגרם כתוצאה מהתחממות כדור הארץ‪.‬‬
‫התוצאות מובאות בתמונה ‪.3‬‬
‫‪0.07‬‬
‫‪0.06‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.04‬‬
‫‪0.03‬‬
‫‪0.02‬‬
‫‪0.01‬‬
‫‪0.00‬‬
‫‪-0.01‬‬
‫‪-0.02‬‬
‫‪-0.03‬‬
‫‪0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95‬‬
‫‪Precipitation‬‬
‫תמונה ‪ :3‬התפלגות הביומסה עבור כל מספר חודשים גשומים שונה ‪.‬‬
‫‪Biomass‬‬
‫‪Color | No' of raining‬‬
‫‪months‬‬
‫‪| 12‬‬
‫|‬
‫‪8‬‬
‫|‬
‫‪6‬‬
‫|‬
‫‪4‬‬
‫|‬
‫‪3‬‬
‫|‬
‫‪2‬‬
‫‪0.08‬‬
‫נאסוף את כל נקודות ה ‪ p1‬ונבדוק את השינוי בנקודות כתלות ב ‪. σ‬‬
‫‪Data: Data1_B‬‬
‫‪Model: ExpDec1‬‬
‫‪Equation: y = A1*exp(-x/t1) + y0‬‬
‫‪0.90‬‬
‫‪Weighting:‬‬
‫‪y‬‬
‫‪No weighting‬‬
‫‪0.85‬‬
‫‪0.80‬‬
‫‪Chi^2/DoF‬‬
‫‪= 6.0809E-6‬‬
‫‪R^2‬‬
‫‪= 0.99977‬‬
‫‪0.53048‬‬
‫‪6.44223‬‬
‫‪±0.00138‬‬
‫‪±0.49099‬‬
‫‪0.6657 ±0.01695‬‬
‫‪0.75‬‬
‫‪Pc 0.70‬‬
‫‪y0‬‬
‫‪A1‬‬
‫‪0.65‬‬
‫‪t1‬‬
‫‪0.60‬‬
‫‪0.55‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪12‬‬
‫‪8‬‬
‫‪10‬‬
‫‪4‬‬
‫‪6‬‬
‫‪2‬‬
‫]‪nrm[month‬‬
‫תמונה ‪:4‬קירוב אקספוננציאלי של תלות נקודות הדעיכה ‪ p1‬ב ‪. σ‬‬
‫ניתן לראות כי התלות של ‪ p1‬ב ‪ σ‬היא בקירוב טוב דעיכה אקספוננציאלית‪ .‬ככל ש ‪σ‬‬
‫גדל ‪ p1‬קטן או ככל ש ‪ σ‬קטן )התנאים מוקצנים( המערכת זקוקה לכמות גשמים‬
‫ממוצעת שנתית גדולה יותר על מנת לשרוד‪.‬‬
‫ערך‬
‫פאראמטר‬
‫‪−1‬‬
‫‪R‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.125m‬‬
‫‪F‬‬
‫‪0.1‬‬
‫‪0.128m2 ⋅ yr −1 / kg‬‬
‫‪E‬‬
‫‪Q‬‬
‫‪3.5m 2 / kg‬‬
‫‪M‬‬
‫‪S0‬‬
‫‪Λ‬‬
‫‪K‬‬
‫‪N‬‬
‫‪A‬‬
‫‪Γ‬‬
‫פאראמטר‬
‫‪6 yr‬‬
‫ערך‬
‫‪2‬‬
‫‪0.2kg / m‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪0.05kg / m‬‬
‫‪4 yr‬‬
‫‪DB‬‬
‫‪2‬‬
‫‪−4‬‬
‫‪6.25 ⋅10 m / yr‬‬
‫‪40 yr −1‬‬
‫‪DW‬‬
‫‪2‬‬
‫‪−2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪DH‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪2m ⋅ yr / kg‬‬
‫‪6.25 ⋅10 m / yr‬‬
‫) ‪0.05m / ( yr ⋅ kg‬‬
‫‪4‬‬
‫על מנת להבין טוב יותר את התנהגות המערכת נראה‪ ,‬לאחר שחיכינו זמן רב ונתנו‬
‫למערכת להתייצב‪ ,‬כיצד מתנהגת המערכת במשך שנה וחצי‪.‬‬
‫‪0.12‬‬
‫‪Data: Data1_B‬‬
‫‪Model: Gauss‬‬
‫)‪Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2‬‬
‫‪Weighting:‬‬
‫‪y‬‬
‫‪No weighting‬‬
‫‪= --‬‬
‫‪Chi^2/DoF‬‬
‫‪R^2 = 0‬‬
‫‪-0.05443‬‬
‫‪0.64007‬‬
‫‪0.29961‬‬
‫‪0.41088‬‬
‫‪0.08‬‬
‫‪y0‬‬
‫‪xc‬‬
‫‪w‬‬
‫‪A‬‬
‫‪0.06‬‬
‫‪0.04‬‬
‫‪0.02‬‬
‫‪0.00‬‬
‫‪1/12 3/12 5/12 7/12 9/12 11/12 13/12 15/12 17/12‬‬
‫]‪Time[months‬‬
‫תמונה ‪ :5‬התנהגות מערכת במשך תקופה של שנה וחצי לאחר‬
‫תקופה של ‪ 60‬שנה‪ ,‬עבור ‪ σ = 2 /12‬ו ‪p = 0.9‬‬
‫‪Biomass‬‬
‫‪±7.0386E-143‬‬
‫‪±-‬‬‫‪±3.0065E-135‬‬
‫‪±--‬‬
‫‪0.10‬‬
‫‪ 3.3‬מסקנות וסיכום‬
‫מניתוח התוצאות ניתן לראות שהתלות של ‪ p1‬במספר החודשים הגשומים היא התנהגות‬
‫מונוטונית אקספוננציאלית דועכת‪.‬‬
‫ניתן להסביר את התנהגות המערכת ע"י הסתכלות על תמונה ‪ .5‬תמונה זו מתארת את‬
‫התנהגות המערכת בכמות משקעים יחסית גבוהה‪ ,‬אך למרות זאת בחודשים שלא יורד‬
‫גשם כמות הביומסה יורדת לערך נמוך מאוד והצמח אינו מספיק לנצל את העונה הגשומה‬
‫בשביל להתאושש‪ ,‬ולכן ירידה נוספת במשקעים תוביל להעלמות הביומסה בעונה היבשה‪.‬‬
‫את הקושי להתאושדש בעונה הגשומה ניתן להסביר מכך שהפאראמטר ‪ K‬הקובע את‬
‫הערך המקסימאלי של הביומסה נמוך עבור עשבוני ולכך הצמח גדל לגודלו המקסימאלי‬
‫ואינו מנצל את ריכוז המים הגבוה של העונה הגשומה‪.‬‬
‫כמו כן ניתן לראות מהביטוי של אידוי המים שככל שכמות המים גדולה יותר האידוי גדול‬
‫יותר ולכן בתקופה גשומה קצרה בעלת משקעים רבים האידוי הרבה יותר גבוהה מאשר‬
‫בתקופה גשומה ארוכה‪.‬‬
‫מחקר נוסף יכול לבדוק איך מתנהגות המערכות עם פאראמטר ‪ K‬שונה‪.‬‬
‫בעונת חורף ישנם ימים גשומים וימים ללא גשם בכלל אפשר לדמות עונה גשומה בצורה‬
‫טובה יותר ע"י הוספת תדירות נוספת של המשקעים‪ ,‬יתכן וצורת הגאוסין של המשקעים‬
‫היא זו שמביאה לדעיכה אקספוננציאלית מדויייקת כל כך‪ ,‬ובעזרת תדירות נוספת נוכל‬
‫לצפות בתופעות נוספות‪.‬‬
‫ניתן להוסיף תכונות של זרעים למערכת היכולים להגביר את העמידות בעונה היבשה‪.‬‬
Bibliography
1. R.W. Broker an t.v. Callaghan, Oikos 81, 196-207 (1998) .
2. R.M. Callaway’ R.W. Brooker, P.Choler, Z. Kikvidze, C,J,Lortiek,
R. Michalet, L.Paolini, F.I. Pugnaireq, B.Newingham, E.T.
Aschehoug, C. Armasq, D.Kikodze, and B.J. Cook, Nature 417,
844-848 (2002).
3. C. Valentin, J.M. d’Herbes, and J.poesen, Catenea 37, 1-24 (1999).
4. Catena Vol. 37: Special issue devoted entirely to banded
vegetation.
5. C.G Jones, J.H. Lawton and M.Shachak, Oikos 69, 373-386
(1994).
6. C.G. Jones, J.H. Lawton and M.Shachak, Ecology 78, 1946-1957
(1997).
7. M. Rieterk, S.C. Dekker, P.C de Ruiter and J. Van de Koppel,
Sience 305, 1926-1029 (2004), and references therein.
8. J.B. Wilson and A.D.Q. Agnew, Adw. Ecol. Res 23, 263-336
(1992).
9. E,gilad, J. von hardenberg, A. Provenzale, M, Shachak and E.
Meron, Phys. Rev Lett. 93 0981051(2-4) (2004); E. Meron and E.
Gilad, in Complex Population Dynemics: Nonlinear Modeling in
Ecology, Epideology and Genetics, B. Blasius, J. Kurths, and L.
Stone Eds. World-Scientific, (in press).
10.J.M Thiery, J. M. d’Herbes and C. Valentin, J. Ecol. 83, 497-507
(1995)
11.D.L. Dunkerley, Plant Ecol. 129, 103-111 (1997).
12.C.A. Klausmeier, Science 284, 1826-1828 (1999).
13.J. Von Hardenberg, E. Meron, M. Shachak and Y. Zarmi, Phys.
Rev Lett. 87, 198101(1-4) (2001).
14.H.T. Dublin, A.R. Sinclair, and J. Mcglade, J. Anim. Ecol. 59,
1147-1164 (1990).
15.M Rietkerk M.M.c.Boerlijst, F. Van Langevelde, R.
HillersLambers, J. Van de Koppel, L. Kumar, H.H.T. Prins and
A.M. De roons, Am. Nat. 160,524-530 (2002).
16.E.gilad, J. von Hardenberg, A. Provenzale, M. Shachak and E.
Meron, Phys Rev . Lett. 93 0981051 (1-4) (2004); E. Meron and E.
Gilad, in Complex Population Dynamics: Nonlinear Modeling in
Ecolegy, Epidemiology and Genetics, B. Blasius, J.Kurths, and L.
Stone Eds. World-Scientific,(in press).
17.B.H. Walker, D.Ludwig, C.s. Holling, and R.m. Peterman, J.Ecol.
69, 473-498(1981).
18.D.Hillel, Environmental Soil Physics (Academic Press, San Diego,
1998).
Fly UP