Специфика пространственно-временной организации географических систем

СПЕЦИФИКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ВВЕДЕНИЕ

Учение о географических системах (геосистемах) является одним из главных фундаментальных достижений географической науки. Оно по-прежнему активно продолжает разрабатываться и обсуждаться. Поскольку это учение имеет не только глубокий теоретический смысл в качестве ключевого базиса для целенаправленного накопления и систематизации фактического материала с целью получения нового знания. Велика и его практическая значимость, так как именно такой системный подход к рассмотрению инфраструктуры географических объектов лежит в основе географического районирования территорий, без которого невозможно выявлять и решать ни локально, а тем более глобально, какие-либо проблемы, касающиеся в той или иной мере взаимодействия человека, общества и природы: ни экологические, ни природопользования, ни вообще оптимизации взаимоотношений человечества и природной среды.

Географическая оболочка - среда обитания человека и объект исследования географов - находится в зоне динамического соприкосновения и взаимодействия эндогенных, экзогенных и космических процессов, разных геосфер: литосферы, биосферы, гидросферы, атмосферы. В чем состоит на этом фоне специфика геосистем, чем определяется их целостность, функционирование, динамика, эволюция, и как результат - их пространственно-временная организация? На рассмотрение этого круга вопросов в ракурсе современных представлений и нацелен настоящий реферат.

РАЗДЕЛ 1. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ГЕОСИСТЕМЫ) И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Географами уже давно было замечено, что природные компоненты, составляющие естественную среду жизни человека, находятся в зависимости один от другого и в своем размещении по земной поверхности образуют взаимосвязанные территориальные сочетания. В географической литературе эти сочетания описывались под разными названиями: типы, или роды, местностей, ландшафты, природные территориальные комплексы, географические комплексы, геокомплексы, геосистемы.

В реальности подобных территориальных комплексов, или систем, легко убедиться, пересекая любую территорию по какому-либо направлению, т.е. по линии профиля. Так, перемещаясь с севера на юг, можно проследить, как вслед за изменениями климата происходит постепенная, но вполне согласованная, закономерная зональная смена условий общей обводненности территории, характерных форм рельефа, почв растительности и животного мир.

Чтобы заметить тесную взаимную пространственную приуроченность перечисленных компонентов и реальность образуемых ими сочетаний, вовсе не обязательно проделывать маршруты в сотни и тысячи километров по меридиану. Наглядное представление о географических комплексах может дать небольшой профиль, проложенный от речной долины к ближайшему водоразделу. Именно такие профили ввели в практику географических исследований ученики В. В. Докучаева Г. И. Танфильев (1857-1928), Г. Ф. Морозов (1867-1920) и Г. Н. Высоцкий (1865-1940) около ста лет назад. В качестве удачного примере можно привести комплексный профиль участка лесостепи из знаменитой книги Г. Ф. Морозова “Учение о лесе”, впервые изданной в 1920 году (рис. 1). Этот профиль сопровождается планом, так что в совокупности получается как бы объемное трехмерное представление сравнительно небольшого пространства, отчетливо дифференцированного на последовательно сменяющие друг друга комплексы. Каждый из девяти комплексов отличается своим положением в рельефе, материнской породой, почвой, растительностью. Если бы по этому профилю проводились наблюдения, над микроклиматом, уровнем грунтовых вод и другими природными явлениями, то в них непременно обнаружились бы различия по участкам профиля.

Географические компоненты взаимосвязаны не только в пространстве, но и во времени: их развитие происходит сопряженно. Так, колебания климата вызывают изменения органического мира, уровня озер, водности рек, характера почв и даже рельефа. Поднятия и опускания земной коры влекут за собой перемены в климате, водном режиме, что, в свою очередь, неизбежно вызовет перестройку биоценозов, почв и географических комплексов в целом. Правда, перемены скажутся не сразу, поскольку каждому компоненту присуща большая или меньшая инерционность, и нужно время, чтобы они снова пришли в соответствие между собой.

Таким образом, географический комплекс (или геосистема) представляет собой определенную целостность не только в пространстве, но и во времени, и его можно определить как пространственно-временную систему географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое.

Что касается терминологии, то в настоящее время в географической литературе употребляются как синонимы природный территориальный комплекс (ПТК), геокомплекс и геосистема. Последний термин, предложенный в 1963 г. В. Б. Сочавой, представляется наиболее удачным.

К геосистемам относятся и такие сложные обширные системы, как ландшафтные (природные) зоны (например, тундра, тайга, лесостепь), и относительно простые образования, наподобие показанных на рисунке 1 (болота, дюнные холмы с сосняками и т. п.). Нужно, следовательно, различать уровни организации геосистем. Здесь мы укажем пока только три главных уровня геосистемной иерархии: глобальный (иначе - планетарный), региональный и локальный.

Глобальный уровень представлен на Земле в единственном числе, а именно - географической оболочкой, которую короче называют эпигеосферой. Геосистемы регионального уровня - это крупные структурные части эпигеосферы, в том числе ландшафтные зоны, а также секторы, провинции, ландшафты и некоторые другие. Наконец, к геосистемам локального уровня относят наиболее простые комплексы, из которых построены региональные геосистемы. Именно к этому уровню принадлежат выделы профиля (урочища), изображенного на рисунке 1.

Чем выше ранг геосистемы, тем сложнее ее строение, которое раскрывается через характер сочетания подчиненных систем низших рангов. И чем ниже ранг, тем проще устроена геосистема, тем она однороднее. Последовательно спускаясь “сверху вниз” по таксономической лестнице геосистем, мы в конечном счете придем к последней ступени - к однородной, географически далее неделимой единице - так называемой фации.

При всем разнообразии уровней строения геосистем все они обладают некоторыми общими свойствами, которые выделяют их среди множества других систем объективной действительности (физических, биологических, социальных и др.) и определяют их “географичность”. Первое свойство всякой геосистемы - ее целостность. Систему нельзя свести к сумме ее частей - компонентов. Из взаимодействия компонентов возникает нечто качественно новое, например, способность продуцировать биомассу. “Продуктом” геосистемы, т.е. результатом ее функционирования как единого сложного механизма, служит почва - новый компонент, который не мог бы образоваться от механического сложения воды, материнской породы и органической массы, - именно целостность геосистемы порождает почву.

Целостность геосистемы проявляется в ее относительной автономности и устойчивости к внешним воздействиям, в наличии естественных границ, упорядоченности структуры. Геосистема, конечно, не изолирована от внешней среды, ее пронизывают потоки энергии и вещества, поступающие извне. Но внутренние связи геосистемы более тесные, чем внешние. В ней происходят непрерывный обмен и превращение энергии и вещества. Всю совокупность процессов перемещения и трансформации энергии и вещества в геосистеме можно назвать ее функционированием. Оно слагается из поглощения и трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического круговорота, биологического метаболизма и механического перемещения вещества под действием силы тяжести.

Структура геосистемы определяется как ее пространственно-временная организация или упорядоченность взаимного расположения и соединения отдельных частей. В геосистемах различают структуру вертикальную (или радиальную) и горизонтальную (или латеральную).

Первая выражается в ярусном, т.е. упорядоченном в соответствии с законом всемирного тяготения, расположении компонентов, которые связаны вертикальной же системой вещественно-энергетических потоков. Примерами вертикальных системообразующих потоков могут служить выпадение атмосферных осадков, их фильтрация в почву и грунтовые воды, поднятие водных растворов по капиллярам почвы и материнской породы и по сосудам растений, испарение с почвы, транспирация.

Под горизонтальной структурой геосистемы подразумевают упорядоченное расположение геосистем низших рангов внутри системы более высокого ранга, например урочищ в пределах ландшафта, как это показано на рисунке 1. В данном случае упорядоченное расположение локальных геосистем (урочищ) определяется рельефом. Рельеф же направляет и основные латеральные потоки: водный (склоновый) сток, а вместе с ним - перенос твердых частиц и вещества в растворенном виде, стекание холодного воздуха по склонам.

Помимо пространственной упорядоченности геосистемам присуща и временная упорядоченность структурных частей. Достаточно вспомнить о снежном покрове - это специфически временной компонент, который регулярно появляется и исчезает во многих геосистемах в холодное время года. Зеленая масса растений, напротив, появляется и “работает” (т.е. участвует в функционировании) в геосистемах высоких и умеренных широт лишь в теплое время года. Таким образом, всякой геосистеме свойственен закономерный набор состояний, ритмически сменяющихся в годичном цикле. Один год - это характерное время геосистемы, или время ее выявления.

Отсюда мы подходим к понятию динамика геосистемы. Под динамикой имеются в виду такие изменения геосистемы, которые имеют обратимый характер и не приводят к перестройке ее структуры. Это прежде всего циклическая смена состояний (сезонных, суточных), а кроме того, восстановительные смены, возникающие после нарушения геосистемы внешними факторами, в том числе и хозяйственным воздействием (например, вырубкой леса, распашкой). Динамические изменения свидетельствуют о способности геосистемы возвращаться к исходному состоянию (пока действие внешних возмущающих факторов не перешло некоторого критического порога), т.е. ее устойчивости. Устойчивость и изменчивость - два важных качества геосистемы, находящиеся в диалектическом единстве.

От динамики следует отличать эволюционные изменения, или развитие геосистем. Развитие - направленные (необратимые) изменения, приводящие к коренной перестройке структуры, т.е. к появлению новой геосистемы (например, вследствие глобальных изменений климата, интенсивных тектонических движений и ряда других причин). Эволюционные изменения присущи всем геосистемам. Перестройка локальных геосистем может происходить на глазах человека, о чем свидетельствуют такие процессы, как зарастание озер, заболачивание лесов, возникновение оврагов. Время трансформации систем регионального уровня измеряется геологическими масштабами (по меньшей мере, тысячелетиями и даже миллионами лет). Перестройка всей географической оболочки, естественно, требует наиболее длительных сроков.

РАЗДЕЛ 2. ОСОБЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕОСИСТЕМ

2.1. Геосистема высшего ранга: географическая оболочка (эпигеосфера)

Географическая оболочка впервые была определена П. И. Броуновым еще в 1910 г. как “наружная оболочка Земли”. Это наиболее сложная часть нашей планеты, где соприкасаются и взаимопроникают атмосфера, гидросфера и литосфера. Только здесь возможно одновременное и устойчивое существование вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. В этой оболочке происходит поглощение, превращение и накопление лучистой энергии Солнца; только в ее пределах стало возможным возникновение и распространение жизни, которая, в свою очередь, явилась мощным фактором дальнейшего преобразования и усложнения эпигеосферы. Наконец, внутри этой оболочки появился человек, для которого она стала географической средой - средой обитания и преобразовательной хозяйственной деятельности.

Эпигеосфера не имеет резких границ, она открыта воздействиям как из Космоса, таки из глубинных толщ планеты, в которые постепенно и переходит. Верхние пределы эпигеосферы обычно проводят по тропопаузе - пограничному слою между тропосферой и стратосферой, лежащему в среднем на высоте 10-12 км от уровня Океана. Ниже этой границы свойства воздушной оболочки в значительной мере определяются влиянием подстилающей поверхности суши и Океана, откуда поступают тепло и влага, а также твердые частицы и живое вещество (бактерии, споры и пыльца растений и др.).

Более спорны нижние границы эпигеосферы, во всяком случае, они лежат не глубже 3-5 км, куда еще проникают газы атмосферы, вода в жидком состоянии (правда, в виде очень горячих и сильно минерализованных растворов) и некоторые бактерии. Гидросфера полностью входит в географическую оболочку - вплоть до самых больших глубин (11 км), где обнаружены живые существа (бактерии).

Целостность эпигеосферы определяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом между ними, который по своей интенсивности значительно превосходит обмен между эпигеосферой в целом, с одной стороны, и открытым Космосом и глубинными толщами планеты - с другой.

Структура эпигеосферы чрезвычайно сложна, причем четко выражены как ее вертикальная, так и горизонтальная составляющие. Три основных структурных блока - тропосфера, гидросфера и осадочная оболочка земной коры (стратисфера) - расположены в виде ярусов в соответствии с их плотностью. Четвертый блок (компонент) - биосфера как совокупность всех организмов - не образует самостоятельной оболочки, а пронизывает все три главных яруса. При этом живое вещество в основном сосредоточено в зонах непосредственного контакта трех неорганических сфер, образуя, по выражению В. И. Вернадского, “пленки жизни”. Таких “пленок”, а по существу внутренних контактных структурных ярусов эпигеосферы, получается три: на стыках атмосферы - литосферы, атмосферы - гидросферы (точнее - Мирового океана, или океаносферы) и океаносферы - литосферы (рис. 2).

Наибольшей сложностью выделяется контактный слой, или сфера наземных ландшафтов (иногда называемая ландшафтной оболочкой), включающая поверхностную толщу земной коры - зону гипергенеза мощностью в десятки или сотни метров (максимум до 500-800 м) и приземный слой тропосферы до высоты 30-50 м, пронизанный наземными частями растительного покрова. В сущности, эта структурная единица географической оболочки формируется на контакте всех трех неорганических сфер, поскольку и гидросфера широко представлена здесь разнообразными скоплениями поверхностных и подземных вод. Здесь же сосредоточена подавляющая часть (не менее 99%) живого вещества Земли. В этой тонкой “пленке жизни” находятся основные механизмы трансформации вещества и энергии Земли, это своего рода “главная кухня” эпигеосферы, непрерывно поглощающая и преобразующая солнечную энергию; здесь интенсивно протекают процессы влагообмена, миграции химических элементов, разрушения горных пород, переноса и аккумуляции рыхлых наносов, биологического синтеза и разложения, формирования почв, различных форм рельефа и т. д.