§ 6.2. Основні закономірності функціональної динаміки

Як уже було сказано, під функціональною динамікою геосис­теми розуміється сукупність процесів трансформації, переміщен­ня речовин та енергії в її вертикальній структурі. В результаті цього геосистема здійснює ряд функцій — продукує органічну речовину, забезпечує вологообіг, газообмін, круговорот речовин тощо. Аналіз динамічних процесів геосистеми можливий у двох основних аспектах. Перший має на меті встановити часові зако­номірності протікання процесу, другий — виявити його механізм, внутрішню структуру:

Часові закономірності процесів. При аналізі часових законо­мірностей протікання процесу визначається його певна характе­ристика (змінна) і за деякий часовий інтервал фіксуються її значення. Наприклад, при аналізі біопродуційного процесу гео­системи вимірюється жива фітомаса протягом року, при дослід- . женні процесу галоморфізації геосистеми — запас солей у грунті за кілька років тощо. Основними часовими закономірностями процесу, які необхідно встановити, є: наявність тренду, ритміч­ності, циклічності, періодичності процесу, його частота, тривалість періоду, величина амплітуди та деякі інші характеристики. При аналізі кількох процесів або різних характеристик одного процесу необхідно виявити їх корельованість у часі, наявність ефектів інерційності, синхронності.

Періодичним є процес, при якому однакові значення його ха­рактеристики повторюються через однакові проміжки часу, які називаються періодом. У геосистемах більшість процесів квазі- періодичні, для яких характерна повторюваність однакових зна­чень характеристики не через строго один інтервал часу (напри­клад рік), а через більш-менш однакові його проміжки. Квазіпе- ^х .ріодичними процесами в геосистемах є зміна температури поверхневих горизонтів грунту (період — одна доба), хід середньо­добових температур повітря (період — один рік).

Циклічність процесу полягає в повторенні однакових значень

Характеристики через будь-який часовий інтервал (в геосистемах мах— життєві цикли рослин, тварин, цикли ерозії В. Девіса тощо).

Ритмічність полягає в повторенні системою станів, близьких, але не ідентичних початковому, через деякі, не обов"язково близь­кі, проміжки часу. Ритмічною є динаміка чисельності популяцій, зв’язаних відношенням хижак — жертва, деякі екзогенні рельєфо- утворюючі процеси та нагромадження пухких відкладів мають риси ритмічності.

Тренд процесу полягає у в цілому спрямованій зміні характе­ристики у бік зростання або зменшення її значень з часом. Наяв­ність тренду може свідчити про еволюційність змін геосистеми.

Часто основна часова закономірність процесу затушована на­кладеними на неї короткоперіодичними або флуктуаційними змі­нами. Щоб виявити тренд або довгочастотну квазіперіодичність процесу, необхідно виконати математичну обробку динамічних рядів. Методами згладжування рядів або їх фільтрації можна позбавитись малосуттєвих особливостей динаміки процесу та вия­вити основну домінуючу його тенденцію. За цією тенденцією ди­намічні процеси умовно поділяють на три групи — періодичного, перехідного та деструктивного (еволюційного) типів (рис. 35).

Процеси періодичного типу (рис. 35, а) не призводять до сут­тєвих змін геосистеми, забезпечують її стійкість. Перехідні про-

цеси, для яких характерна фаза затухання, свідчать про перехід геосистеми з одного стану рівноваги до іншого, або про віднов­лення геосистеми після збурення (рис. 35, б). Такий характер, зокрема, має процес дегуміфікації геосистем — одразу після ро- зорання цілини щорічні втрати гумусу внаслідок мінералізації становлять значну величину, а через деякий час (ЗО—40 років) зменшуються і вміст гумусу стабілізується, але на нижчому рівні (Г. В. Добровольський, Л. О. Гришина, 1985). Процеси деструк тивного типу (рис. 35, в) не затухають з часом, що призводить до руйнації структури зв’язків геосистеми, її заміни іншою; Якщо процес описується експоненційною функцією, він здебільшого катастрофічний. Але в природі процеси такого типу тривають недовго і з часом затухають.

При аналізі взаємозв’язків кількох процесів часто виявляєть­ся ефект інерційності — затримка реакції одного з процесів на дію іншого. Так, поверхневий стік виникає не одразу після дощу, а через деякий час. Максимум сонячної радіації спостерігається в червні, а найвищі температури повітря запізнюються відносно нього на кілька десятків днів, а глибоких шарів грунту — на кілька місяців. При цьому коливання затухають і амплітуда їх зменшується.

тегрують елементарні процеси, їх наслідки та умови протікання у функціональну структуру, існування якої й забезпечує деякий інтегральний процес (вологообіт, засолення геосистем, продуцій- ний процес тощо). Для кожного процесу характерна власна струк­тура (див. рис. 7, 9, 10), проте можна запропонувати загальний підхід до аналізу таких структур. Він грунтується на понятті елементарного ландшафтно-екологічного процесу. Під ним розу­міється процес, внутрішній механізм якого для даного досліджен­ня значення не має і який у загальне функціонування геосистеми входить як умова забезпечення складніших процесів. У такому розумінні поняття елементарного процесу широко використовуєть­ся в грунтознавстві (І. П. Герасимов, М. А. Глазовська, М. Ф. Козловський та ін.), геофізиці ландшафту (Н. Л. Беручашвілі,

2. , інженерній геології (В. С. Сергеєв, 1985) та інших при­родничих науках.

Взаємодія певних елементарних ландшафтно-екологічних про­цесів у відповідних умовах зумовлює деякий складніший процес, який, у свою чергу, може взаємодіяти з іншим і зумовлювати процес ще більшої складності. Виходячи з цього, структуру інте­грального ландшафтно-екологічного процесу можна представити у вигляді графу-дерева, елементами якого є простіші процеси та їх умови, а вершиною («коренем дерева») — кінцевий інтеграль­ний процес.

Ефективним методом аналізу таких структур є метод «дерев подій», розроблений X. А. Уотсоном для оцінки надійності системи запуску ракет. Згодом цей метод широко використовується і при дослідженні систем ін­шої природи. Його інтерпретація до аналізу функціональної дина­міки геосистем зводиться до побудови «дерева процесів», у якому окремі елементарні процеси та умови, що визначають можливість їх виникнення, з’єднуються логічними операторами «АБО» та «І».

Рис. 36. Структурна схема процесу забруднення грунтових вод атмосферними опадами (фрагмент):

1- процеси; 2 — умови, необхідні для виникнення процесів, 3 — оператор «І», 4 — опера­тор «АБО».

Цифри: 1—надходження атмосферних опадів на поверхню грунту; 2—відсутність умов для повного стоку води з поверхні грунту; З — штучного дренажу немає; 4 — просочування атмо­сферної вологи крізь грунтову, товщу; 5 — промивний водний режим; 6 — води, що фільтру­ються, досягають рівня грунтових вод; 7 — води атмосферних опадів забруднені; 8 — ланд­шафтно-геохімічні бар’єри у вертикальному профілі геосистеми відсутні; 9 —води в процесі інфільтрації не очищуються; 10 — ландшафтно-геохімічні бар'єри є; //—просочування забруднених вод крізь бар’єри; 12 — води в процесі інфільтрації повністю не очищуються; ІЗ — транспорт забруднень з водами, що інфільтруються; 14 — атмосферні опади не забруд­нені; 15 — наявність забруднюючих речовин у вертикальному профілі геосистеми; 16 — за­бруднюючі речовини знаходяться в розчинній формі; 17 — перехід забруднень з грунту до вод, що інфільтруються: 18 — інфільтровані води забруднені; 19 — змішування інфільтрова­них вод з грунтовими; 20 — умов для бокового відтоку грунтових вод немає; 21 — перетоку грунтових вод у нижні водоносні горизонти немає; 22 — забруднення грунтових вод за рахунок інфільтрації атмосферних опадів; 23 — боковий притік грунтових вод із сусідніх геосистем; 24 — води бокового притоку забруднені; 25 — забруднення грунтових вод водами бокового притоку; 26 — забруднення грунтових вод геосистеми

Оператор «АБО» поєднує такі процеси та умови, що наявність хоча б одного з них зумовлює виникнення деякого нового процесу або умови (наприклад, розпорошення агрегатного стану грунту може бути зумовлене або заміщенням кальцію натрієм у грунто­вому поглинаючому комплексі, або зменшенням вмісту гумусу, або крапельною ерозією). Оператор «І» об’єднує такі процеси, що тільки протікання усіх їх разом зумовлює розвиток більш склад­ного процесу (наприклад, засолення грунту відбувається за умови, коли капілярна кайма грунтових вод піднімається до грунтового профілю, і ці води мінералізовані). Спрощену структурну схему процесу забруднення грунтових вод геосистеми при випаданні атмосферних опадів наведено на рис. 36 (повна схема включає 61 процес). За такими схемами оцінюють ймовірність виникнення процесу, визначають найважливіші, вузлові елементарні процеси та умови, з яких випливає інтегральний процес, оцінюють стій­кість геосистем, виявляють найбільш ефективні шляхи регуляції процесу або методи його недопущення.