Различия геосистем разного пространственного уровня

Развитие географической оболочки обусловлено её пограничной между Землей и Космосом позицией и теми потенциями, которые связаны с контактом и взаимодействием земного шара (твердого тела плюс водные растворы и газы) и Космоса. Их взаимодействие развивается во времени в соответствии с законами диффузии, контакта, взаимопроникновения и пр., но, прежде всего в сторону усложнения, повышения организации, уменьшения числа степеней свободы. Саморазвитие проявляется в виде более или менее длительных этапов постепенного изменения (эволюция) и скачкообразных преобразований (революция). Иногда термином эволюция охватывают любые необратимые изменения в системе.

Считается, что эволюция геосистемы происходит благодаря заложенной в структуре геосистемы и её местоположении (положению относительно факторов и потоков) своеобразной «программе» развития. Каждое местоположение обладает неким потенциалом развития, которое реализуется за определенное время. Наряду с потенциалом местоположения на ход и итог развития влияют субстрат (первичные горные породы, кора выветривания) и первичная структура (размещение элементов или подсистем по территории, в пространстве и др.).

Элементами системы вообще являются её составные части. Из теории систем известна ограниченность, условность этого понятия: ведь каждый элемент, при детальном рассмотрении, тоже геосистема. Поэтому, договариваются о степени детальности рассмотрения геосистем. Каждая составляющая геосистемы, определенной как наименьшая (по рангу), называется первичным (непроизводным) элементом.

Термином «Отношение» определяют характер расположения элементов определённой системы и их взаимозависимости; это онтологический смысл этого термина. Наряду с ним, существует гносеологический смысл: мысленное сопоставление различных объектов или сторон данного объекта.

Именно отношения элементов образуют системы различной степени сложности из соответствующих элементов. Отношения носят универсальный характер в том смысле, что проявляются повсеместно между элементами определенной системы (внутренние отношения). Они существуют между системой и её внешней средой (внешние отношения). Отношения носят объективный и универсальный характер, их посредством весь мир интегрируется в некую целостность. При этом, одно и то же отношение может быть в различных вещах. Через отношения проявляются объективные законы мироздания, в том числе геосистемные законы. Один и тот же элемент системы может вступать в различные отношения с другими элементами. То отношение, на основании которого выделяется система, называют системообразующим.

Применительно к геосистемам, принято делить отношения следующим образом:

• по отношению территориальности (положение относительно других элементов и систем, соседство); в свою очередь, они бывают метрическими и топологическими,

• по времени возникновения, деления и порядку следования (одновременные, предшествующие и последующие; периодические; ритмические и аритмические и т.д.,

• по отношению функциональности – в процессах энерго - массообмена (энерго - массопереноса) – материального носителя свойств системы,

• по отношению информативности – передачи-приема сигналов, разнообразия, рефлексивности и т.п.,

• причинно-следственные (зависимости одного от другого),

• корреляционные (по согласованности проистекания в разных геосистемах или компонентах одной системы, а также пространственным совпадениям).

В зависимости от числа участвующих в отношениях элементов, они могут быть бинарными, триарными (тройственными), множественными (с указанием числа элементов). Отношения также могут быть симметричными (когда элементы можно поменять местами) или не быть таковыми. Например, отношение системы и её модели чаще всего несимметрично. Отношения могут быть транзитивными. Таковыми становятся отношения двух несвязанных между собой элементов, если каждый из них связан с одним и тем же третьим элементом. Например, в пищевой цепи экосистемы могут быть транзитивные отношения между элементами сильно различающихся трофических уровней.

Элементы и компоненты геосистемы соотносятся между собой, как бы соблюдая следующие правила (человек в своей практике социальных отношений многое неосознанно заимствовал у природы).

Основные из этих отношений следующие:

• дополнительность,

• координированность,

• борьба, конкуренция, антагонизм,

• синергизм, взаимное усиление влияния,

• взаимозаменяемость.

Каждый компонент геосистемы относительно самостоятелен, развивается и функционирует по собственным законам (горные породы, слагающие рельеф, растительность, почвы и др.), но одновременно ограничен в развитии из-за взаимодействия с другими, включен в целостность, которая ограничивает свободу функционирования геокомпонента.

Каждый геокомпонент имеет собственные характерные пространственные и временные масштабы, собственные циклы и тренды. Поскольку геокомпоненты взаимодействуют, то их циклы, ритмы, размеры накладываются, что приводит к формированию новых или к смещению, некоторому изменению существующих. Эти изменения не могут быть слишком велики, так как каждый компонент относительно автономен.

В рельефе, например, есть различные законы проявления в конкретных ландшафтно-климатических условиях.. Педименты и пенеплены также проявляются в определенных, хотя и разных ландшафтно-климатических условиях. Наряду с этим, есть формы рельефа трансзонального типа, например, флювиальный рельеф, который образуется везде, где существует местный поверхностный сток (он практически не проявляется в арктических пустынях, хотя встречается в тропических пустынях в форме вади. Причем, продольный профиль рек зависит не столько от зональных условий, сколько от параметров самого рельефа (уклона, перепада высот).

Географическая оболочка (как и биосфера В.И.Вернадского) состоит из целостной системы иерархически соподчиненных подсистем.

Иерархичность – это такое топологическое свойство, когда объекты одного ранга (объекты одного ранга между собой свободно взаимодействуют, координируются) подчинены определенному обнимающему их объекту более высокого ранга, т.е. субординируются ему.

Объект более высокого ранга, в свою очередь, субординируется объектом ещё более высокого ранга. То же самое наблюдается при движении вниз, от объектов относительно невысокого ранга, топологически субординирующих ещё более мелкие объекты. Такая иерархия органично присуща всей природе. Однако, она же спонтанно проявляет себя в социуме, может сознательно устанавливаться в организованном обществе.

Новые структуры возникают благодаря тому, что в реальности могут взаимодействовать между собой элементы разной иерархии, если они оказались в зоне взаимодействия.

Это создаёт разнообразие ландшафтов, например, на Южном берегу Крыма, где элементы макросклона оживляются отдельными особенностями мезо- и микрорельефа, даже текстурой горных пород или аспектом (внешним видом) растительного покрова. Считают (со времен И.Канта), что благодаря свойству иерархичности природа малым числом возможностей создаёт бесконечное разнообразие явлений.

Считается, что рамки иерархической структуры слишком широки и нам неизвестны. Однако география занимается только мезомиром – объектами некоего среднего диапазона иерархии, который наиболее доступен для восприятия органами чувств. Поэтому в географии такое значение уделяют полевым наблюдениям – геосистемы этому как раз и соответствуют.

Следующее важное положение:

Иерархически одинаковые объекты могут иметь разные пространственные размеры и разное характерное время жизни, но занимать при этом одну и ту же позицию в структуре геосистемы.

Переведём эти общие положения в геосистемное русло. Геосистемы каждого иерархического уровня имеют свой, отличный от геосистем других уровней, характер организации и масштаб отношений с геосистемами других уровней, даже если на местности они соседствуют.

Например, в гидрологии Н.И.Маккавеевым был открыт закон факторной относительности:

- элементы гидросети разного порядка (это также геосистемы) по-разному реагируют на одни и те же факторы воздействия.

Существование геосистем разных пространственных уровней означает наличие в природе пространственного квантования. Пространственное квантование (т.е. выделение целостных участков или образований природы, между которыми есть объективно существующие природные рубежи) возникает как результат самоорганизации геосистем. Примеры пространственного квантования: метеорологические (ячейки Бенара, циклоны, антициклоны, смерчи, вертикальные ячейки Гадлея); геоморфологические (реки разных порядков), ландшафтные (сочетание на определенной территории разных ландшафтных образований). Но наиболее выразительно квантование в живой природе, где практически все объекты распределены по местообитаниям.

Пространственное квантование создаёт естественную дискретность природы, позволяя выделять в ней отдельные тела или системы. Геосистемы, в частном случае, выделяются благодаря пространственно-временному квантованию. Квантование дополнительно к континуальности. Поэтому, переход от геосистемы одного пространственно-временного уровня к другому уровню происходит скачком (закон квантитативной компенсации К.Н.Дьяконова).

Пространственное квантование является способом организации геосистем, определяет возможность сосуществования в каждой из них явлений разного пространственного масштабов.

Уменьшение масштаба геосистемы одного иерархического уровня означает некоторое уменьшение сложности её структуры.

Законы пространственной организации геосистем по В.А.Бокову, И.Г.Черванёву

1. Уменьшение масштаба геосистемы одного и того же иерархического уровня означает некоторое уменьшение сложности её структуры.

2. Пространственные градиенты в геосистемах низкого уровня наиболее значительны; они уменьшаются в меру увеличения пространственных масштабов геосистем, то есть наблюдается соотношение G_l> G_r> G_g. Индексы i, r, g – это первые буквы слов: локальный, региональный, глобальный.

Последнее соотношение, установленное В. А. Боковым (1990), названо им законом обратных отношений пространственных градиентов с рангами геосистем:

- чем выше ранг геосистемы, тем ниже величина пространственных градиентов свойств.

То есть пространственные градиенты наиболее значительны на локальном уровне, они уменьшаются на уровне региональном, а потом становятся еще меньшими на глобальном уровне.

- геосистемы одинакового иерархического уровня взаимодействуют между собой "на равных" (между ними есть отношения координации); геосистемы низшего иерархического уровня в определенной мере зависимы: низшая зависимая от геосистемы, старшей по уровню (отношения субординации).

Землеведение рассматривает структуры, процессы, явления в сферическом пространстве. В то же время, другие науки о Земле (кроме геофизики и её раздела - сейсмологии), даже региональное землеведение, практически не апеллирует к сферическому пространству как реальному феномену, ограничивая анализ плоским или трехмерным Декартовым пространством (о его несоответствии рнеальности шла речь выше).

Следствия:

1.1.Сферическое пространство замкнуто, Декартово - открыто.

1.2.В сферическом пространстве любое движение имеет замкнутую траекторию; даже по инерции он является кругообразным. В Декартовом пространстве оно может быть любым: по инерции оно будет прямолинейным.

1.3.В сферическом пространстве никакая структура не является инвариантной относительно перемещений (то есть сферическое пространство неизотропно и анизоморфно); Декартово пространство однородно и безразлично к перемещениям в нем чего бы то ни было, никак на него не воздействуя (то есть он изотропный и изоморфный) .

2. Сферическое пространство отличается качественно и количественно от Декартова пространства.

2.1. Сфера, которая вращается, приобретает четыре фундаментальных элемента симметрии, отсутствующие в неподвижной сфере:

- ось вращения, фиксированную в пространстве-времени;

- плоскость экватора, которая является плоскостью фундаментальной биконической симметрии;

- анизотропность относительно плоскости экватора и

- анизоморфность относительно широты места.

По этим признакам, сфера, которая вращается, приобретает черты биконической симметрии, одновременно теряя некоторые черты сферической симметрии (отсутствие бесконечного числа осей и плоскостей симметрии).

Как итог, земной шар представляет собой квазисферу-биконус, а тип симметрии квазисферически-биконический. К сожалению, в теории такой тип симметрии до сих пор не определён.

3. Свойства пространства, которые структурируются по такой симметрии, следующие:

3.1. Центрированность: центр пространства совпадает с центрами сферы и обоих оснований конусов.

3.2.Неоднородность: плотность вещества нарастает сферосимметрично с приближением к центру пространства.

3.3. Фундаментальная анизотропность: различие направлений "вверх-вниз". 3.4.Латеральна анизотропность: разный вес различных "горизонтальных" направлений в каждой любой точке квазисферически-биконического пространства вращающейся Земли.

Следствия:

- Проявления силы Кориолиса (планетарного вихря), который зависит от широты и скорости вращения Земли вокруг оси;

- Билатеральная анизоморфность полушарий:

- Северное является континентальным, Южное – океаническим.

- на разных концах любого земного диаметра находится разный субстрат (на одном – суша, на другом – океан);

- Антарктида практически правильно отвечает Арктическому бассейну, "укладываясь" в его контуры.

4. Организация пространства (структуры пространства).

4.1. Замкнутый характер сферического пространства определяет единственно возможную общую структуру.

Вопросы и задания

1. Что такое геосистема? Входит ли человек в состав геосистемы или же является по отношению к ней внешней силой?

2. Назвать основные аксиомы и постулаты геосистемной организации земного мира.

3. Какие связи в геосистеме являются системообразующими? Приведите примеры.

4. В чём заключается свойство эквипотенциальности геосистем?

5. Какие бывают отношения в геосистеме?

6. В чём состоит пространственная структура геосистемы? Каково её значение?

7. Что такое пространственная некоммутативность?

8. Что такое временнáя некоммутативность?

9. Что такое пространственная ассоциативность?

10. Возможна ли временнáя ассоциативность?

11. Что такое саморегуляция в геосистеме?

12. Какой бывает саморегуляция по способу воздействия на геосистемы?

13. Как, по Вашему мнению (на примерах, приведённых выше), связана с проявлениями саморегуляции целостность геосистемы?

14. Приведите примеры геосистем: а) чётко выделяющихся в пространстве; б) выделяющихся нечётко.

15. Какие геосистемы (кроме упомянутых в тексте) можно считать турбулентными?

16. Можно ли предотвратить автоколебания в геосистеме?

17. Что такое синергизм и антагонизм?

18. Составьте сравнительную таблицу проявлений в геосистемах отрицательной и положительной обратной связи.

19. В чём различия информационного и динамического саморегулирования?

20. Приведите примеры иерархичности в разных сферах природы и общества. А в чём состоит иерархия геосистем и в геосистемах?

21. Что такое факторная относительность в природе?

22. Что такое пространственное квантование? Приведите его примеры.

23. Чем различаются сферическое и Декартово пространства?

24. Что такое инвариантность и как она проявляется в геосистемах?

25. Какие свойства симметрии земного шара нам известны?

26. Что такое билатеральность?

27. В чём проявляется пространственная организация геосистем?

28. Что такое самоорганизация геосистемы?

29. Сопоставьте понятия самоорганизация и саморазвитие.

30. Сопоставьте понятия местообитание и местоположение.