Глава 1

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСАХ

Основные понятия, процессы

Природный (природно-территориальный) комплекс обладает строго определенной организованностью, прояв­ляющейся в относительной устойчивости вещественных компонентов (геолого-геоморфологическая основа, воды, почва, биота) и гидротермического режима, а также по­током вещества, энергии и их трансформации. Понятие «организованность» предполагает, что природный комплекс есть не хаотически разрозненные матери­альные элементы, а единое и связное целое, находящее­ся в состоянии развития. В нем в упорядоченном режиме происходят аккумуляция и рассеивание вещества и энергии. Наряду с физическими процессами здесь протекают химические превращения, формируется биота, идут синтез и деструкция органического вещества, сопровождающиеся биофизическими и биохимическими реакциями. Эти процессы имеют различную степень сбалансированности, которая зависит от характера ком­плекса, стадии его развития, сезона года, времени суток, случайных возмущений среды и т. п.

Природный комплекс, являясь функциональной си­стемой, испытывает влияние силовых полей и антропо­генное воздействие. Среди силовых полей земной по­верхности наиболее значимы для комплекса гравитаци­онное, магнитное и электрическое поля, их динамика и ритмика. Антропогенное воздействие на природный комплекс может быть различным по глубине и в ряде случаев приводит к коренному изменению его отдельных компонентов и свойств.

По своей физической сущности природный комплекс представляет собой открытую систему взаимодействующих потоков вещества, энергии и информации,

развивающихся при определенных параметрах силовых полей земной поверхности и антропогенного воздействия. Орга­низованность этой системы зиждется на стремлении к сбалансированности ее упорядоченных потоков вещества и энергии и направленной трансформации вещества и энергии.

Основатель общей теории систем Л. Берталанфи (1969) рассматривает систему как единство взаимодей­ствующих переменных. Согласно В. Н. Садовскому си­стема понимается как «множество элементов, находя­щихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство» (1976, с. 463). Природный комплекс полностью удовлетворяет приведенным определениям системы. Он относится к особому классу материальных систем — к геосистемам. Понятие «геосистема» было введено В. Б. Сочавой (1963) и получило широкое распространение в физиче­ской географии. Геосистема, т. е. природная географиче­ская система, охватывает как абиогенные, так и биоген­ные компоненты и их взаимосвязи, что соответствует полному природному комплексу. Поскольку «практиче­ски каждый объект может быть рассмотрен как систе­ма» (Садовский, 1976, с. 464), постольку каждый ком­понент природного комплекса (почва, растительность, воды и т. д.) является системой.

В то же время понятия «геосистема» и «природный комплекс» — не синонимы. Если в «геосистеме» внима­ние акцентируется на целостности, функционировании, упорядоченности, то в «природном комплексе» — на взаимосвязи (сплетении) компонентов. Всякий природ­ный комплекс есть система, но далеко не всякая система представляет собой природный комплекс (Исаченко, 1981). В частности, парциальные географические систе­мы типа ледник — климат, атмосфера — Мировой океан, климат — почва — растительность не выступают в каче­стве комплексов.

Геосистема, будучи открытой системой, постоянно об­менивается со средой энергией, веществом и информа­цией.

В геосистеме развиваются потоки вещества: потоки воды (точнее, водные растворы в виде атмосферных осадков и стока), минерального вещества в твердой фазе, воздушных масс и отдельных газов атмосферы и водяных паров, органического вещества (обычно вместе с минеральными соединениями), живого вещества (жи­вых организмов), элементарных частиц (протонов, элек­тронов, нейтрино и др.). Потоки вещества отличаются наибольшей степенью сбалансированности в геосистемах, приблизившихся к состоянию динамического равновесия со средой.

Все процессы, происходящие в геосистеме, развива­ются с затратой энергии. Основные ее потоки — солнеч­ная энергия и энергия недр Земли.

Обмен энергией между геосистемой и средой далеко не всегда, даже за сравнительно большой срок, сбалан­сирован. В частности, в геосистемах солнечная энергия накапливается до некоторого предела в биомассе расте­ний и животных, в гумусе почвы, торфе, сапропеле и других органических соединениях. За ограниченный про­межуток времени (год, сезон года, месяц, сутки) ба­ланс трансформированной солнечной энергии может быть как положительным, так и отрицательным. На­пример, на протяжении вегетационного периода в гео­системах имеет место, как правило, накопление энергии (в основном в связи с нарастанием биомассы растений), а в течение невегетационного - ее расходование.

Энергия недр Земли поступает в геосистему посредством теплового потока, а также в результате механического перемещения минеральных масс при тектонических движениях и вулканизме. Возникающие при этом крупные формы рельефа---хребты, массивы, горные области являются местами накопления свободной энергии, которая реализуется по мере их разрушения и снижения высот до уровня продольного профиля равновесии водотоков. Напротив, впадины (их поверхность лежит ниже этого уровни) имеют отрицательный знак свободной энергии, величина которой уменьшается по мере запол­нения впадин обломочным материалом, поступающим с ближайших поднятий.

На развитие геосистемы оказывают влияние потоки вещества и энергии, непосредственно обусловливающие ее функционирование, т. е. процессы преобразования и перемещения вещества, расходования энергии и ее накопления в связанной форме. Роль потоков вещества и энергии, которые проходят через геосистему транзитом, практически без изменении, равна нулю.

Потоки вещества и энергии в геосистеме неотделимы от информационных процессов. Организацию, или упорядочение, процессов преобразований и перемещения вещества, расходование энергии и ее накопление в свя­занной форме можно рассматривать как передачу, на­копление и перекодирование информации, т. е. управ­ление в широком смысле слова (Арманд Д. Л., Арманд А. Д., Дроздов, 1981, с. 78).

Следует различать потоки информации, развиваю­щиеся в пределах биоты, между организмами и абиоти­ческой средой, в абиотической среде.

Передача признаков от клетки к клетке и от орга­низма к организму представляет собой передачу инфор­мации. Каждый живой организм хранит в себе некото­рое количество наследственной информации в генах. Под воздействием внешних условий она может изме­няться (перекодироваться) и передаваться по наследст­ву. Например, у животных сигналы опасности, нахожде­ния пищи, нападения и пр. передаются, воспринимаются и вызывают определенные действия.

Потоки информации, идущие от среды, например, к многолетнему растению благодаря сезонным изменениям продолжительности светлой части суток, температуры, влажности воздуха и других жизненно важных показателей, обусловливают в них те или иные физиологиче­ские изменения. Так, переход растений от пассивного состояния (периода) к активному и наоборот осуществ­ляется посредством ряда промежуточных стадий. Весной под влиянием нарастания температуры воздуха и почвы «запасные органические вещества» приобретают способ­ность переходить из нерастворимых соединений в рас­творимые, затем они переносятся водными токами к местам образования новых тканей, распускаются листья, цветут растения, наступает активный период вегетации. Переход от активного состояния к пассивному происхо­дит по световым сигналам (изменению соотношения продолжительности светлой и темной частей суток). При этом прослеживаются несколько последовательных фаз: отток органических веществ в запас (в места зимнего хранения), переход их в нерастворимое состояние и кон­сервация на зимний период, опадение листьев, отмира­ние надземных частей травянистых растений и замыка­ние устьиц на хвое (Хильми, 1966).

По сигналам среды изменяется также поведение животных. В частности, эти сигналы определяют сроки наступления у ряда видов зимней спячки и пробуждения

от нее, сроки размножения, в специфических условиях среды происходят массовые переселения некоторых ви­дов грызунов и насекомых.

Накопление информации проявляется в усложнении структуры геосистемы: биоты — до состояния коренного биоценоза, а в абиотической части — в усложнении строения недр, формировании рыхлых отложений и гене­тических горизонтов почвы, накоплении гумуса, в раз­витии структуры вод и воздушных масс.

Уменьшение информации сопряжено с упрощением биоты вплоть до ее почти полного исчезновения, причем могут иметь место уничтожение или погребение почвы, упрощение структуры вод и воздушных масс. Это в той или иной мере наблюдается при развитии катастрофиче­ских явлений — вулканических извержений, селей, обва­лов, ледников (особенно в областях ледникового сноса) и т. п.

В геосистеме вещественные, энергетические и информационные потоки развиваются в тесной связи.

Всесторонне геосистема может быть описана множеством качественно различных моделей. Одна из графических ее разновидностей приводится на рис. 1. В геосистеме взаимодействуют вещественные составляющие (блоки)--геолого-геоморфологическая основа (верхняя часть земной коры), почва, воды, воздушные массы и биота. Допускается равенство прямых и обратных связей между блоками.

Геосистема функционирует в результате поступления, трансформации и последующего выведения из нее солнечной энергии и энергии недр Земли. Одновременно геосистема осуществляет обмен со средой газами атмосферы, минеральным веществом, во­дой, живыми организмами. В геосистеме продуцируется и подвергается деструкции органическое вещество, кото­рое может накапливаться в ней до некоторого предела.

Геосистемы различаются по рангам. Крупнейшая планетарная геосистема соответствует географической оболочке, самая малая — фации. Между ними распола­гаются ряд промежуточных по рангу геосистем.

Разнообразие элементарных геосистем приводит к необходимости сведения их к инвариантным рядам, объединяющим геосистемы по особенностям структуры, динамики и функционирования. Крайние положения в инвариантных рядах занимают коренные и серийные геосистемы­, промежуточное- - полукоренные, мнимокоренные

и полусерийные (Сочава, 1963; 1978; Сочава, Крауклис, Снытко, 1974; Крауклис, 1979; Пурдик, Кочуров, 1981).

Коренные геосистемы от прочих отличаются тем, что они достигли относительного равновесия со средой, для них характерны высокая степень сбалансированности

Рис. 1. Взаимодействие компонентов геосистемы в условиях земной поверхности.

всех процессов и устойчивость развития, оптимальная структура и максимально возможная долговечность. Они занимают, как правило, плакорные и близкие к плакорным местоположения, отражают обычно зонально-регио­нальные черты природной среды. Напротив, серийные геосистемы — это относительно быстро сменяющиеся, недолговечные образования. Они обладают упрощенной структурой, отличаются значительной несбалансирован­ностью основных процессов. Серийные геосистемы при достаточно длительном развитии стремятся приблизиться к состоянию коренных геосистем, но часто им это не удается, так как одновременно под влиянием постоянно проявляющихся тектонических движений и климатиче­ских изменений существенно изменяются вещественно-энергетические потоки.

Коренные геосистемы достигают относительного рав­новесия со средой: это равновесие динамично и подвержено колебаниям в некоторых пределах. Оно постоянно осложняется асинхронностью развития отдельных компо­нентов геосистем. Кроме того, равновесие вещественно-энергетических процессов постоянно нарушается погод­ными сезонными изменениями и многолетними климати­ческими ритмами. Вместе с тем коренные геосистемы развиваются как целостные образования, что приводит к определенному изменению их структуры, динамики и функционирования.

В отличие от геосистемы в экосистеме рассматрива­ются не все возможные взаимосвязи между веществен­ными компонентами, а лишь существенные для основно­го компонента («субъекта»), который помещается в цен­тре. Все связи оцениваются прежде всего по их воздей­ствию на «субъект». Связи, не оказывающие прямого или косвенного влияния на состояние «субъекта», счита­ются несущественными (Минц, Преображенский, 1973, с. 114). Если в качестве субъекта выступает биота, то взаимосвязи между абиотическими компонентами в экосистеме существенного значения не имеют и потому рассматриваются.

Основные свойства геосистемы

Геосистема обладает множеством свойств, которые в совокупности характеризуют ее и вместе с тем выделя­ют из бесчисленного количества других природных объ­ектом, расположенных рядом или входящих в ее состав. Свойства геосистемы можно подразделить па три груп­пы: наиболее общие, относительно специфические, эмерджентные свойства.

Наиболее общие свойства геосистемы. К ним отно­сятся целостность, уникальность, иерархичность. Это од­ни из тех свойств, которые выражены у всех природных (и не только природных) объектов. Однако проявляют­ся они у каждой категории этих объектов по-своему. В противном случае любой из них лишился бы своей определенности.

Целостность геосистемы выражается во взаимосвязанности разнородных потоков вещества, энергии и информации, во взаимообусловленности ее вещественного

них составляющих (геолого-геоморфологической основы вод, воздушных масс, почвы, биоты) и гидротермического режима. Целостность геосистемы тесно связана с

другими ее свойствами, в первую очередь со структур­ностью и функциональностью.

Уникальность геосистемы определяется ее раз­мещением в пространстве, конфигурацией в плане (что важно прежде всего для геосистем топологического и регионального уровней), сочетанием природных условий и ресурсов, а равно особенностями оптимизации природ­ной среды на обозримую перспективу. Уникальность геосистемы увеличивается с возрастанием ее ранга.

Иерархичность геосистем позволяет подразде­лять их по рангам. Планетарная геосистема (географи­ческая оболочка) состоит из материков и океанов. В пределах материков обычно выделяют следующий ряд соподчиненных геосистем: физико-географическая страна — область — провинция — район (иногда отож­дествляется с ландшафтом в узком смысле слова) -ландшафт — урочище - - фация. Соответствующий ряд соподчиненных геосистем намечается применительно к океанам.

Строго говоря, структурность присуща также всем природным объектам, но структура геосистемы, будучи тесно связана с функциональностью, выступает, в сущ­ности, как внешнее выражение последней. По этой при­чине структурность и функциональность геосистемы ни­же рассматриваются сопряженно.

Относительно специфические свойства геосистемы. К этой категории свойств относятся устойчивость, само­регулирование (или самоорганизация),

взаимокоррелируемость компонентов геосистемы, ее структурность и функциональность. Указанные свойства выражены, кро­ме геосистем, у некоторых других (но далеко не у всех) категорий природных объектов. В частности, они при­сущи фитоценозам и биоценозам.

Устойчивость геосистемы проявляется в отно­сительном постоянстве ее структуры — плановой (мор­фологической) и вертикальной (ярусность), в функцио­нировании, т. е. в процессах и потоках вещества и энер­гии (Дьяконов, 1979), а также в суточной, сезонной и многолетней ритмичности развития.

Поскольку любая геосистема развивается, ее струк­тура и функционирование подвергаются изменениям. При статистически случайных возмущающих воздейст­виях среды (вулканические извержения, землетрясения, лесные пожары, снежные лавины, вспышки размножения насекомых-вредителей и др.) в геосистемах обычно происходят существенные изменения. Однако по исте­чении некоторого времени геосистемы, подвергшиеся такому воздействию, постепенно приближаются к сво­ему исходному состоянию, что отражается на их струк­туре, режиме функционирования и ритмике развития. Эти возродившиеся геосистемы могут отличаться от прежних по некоторым параметрам, например по состо­янию биоты, величине первичной биологической продук­ции, показателям почвообразования. Следовательно, устойчивость геосистемы не абсолютна, она проявляет­ся в условиях динамичного развития геосистемы и по­тому возможны определенные отклонения от ее некото­рого среднего состояния.

Саморегулирование (самоорганизация) отчетливо выражено в геосистеме на всех этапах ее развития, но наиболее полно — в коренной ее форме. Геосистема, несмотря на противоречивость протекаю­щих в ней процессов, сохраняет свою устойчивость. Это происходит потому, что вес процессы в геосистеме, бу­дучи взаимосвязаны между собой, стремятся к сбалан­сированности. В коренных геосистемах, максимально приблизившихся к состоянию равновесия со средой, практически сбалансированы процессы образования ор­ганического вещества и его деструкции, стабилизировано плодородие почвы, рельеф достиг состоянии равни­ны. Всякое отклонение от сбалансированности вызывает ответную реакцию-- геосистема стремится вернуться к прежнему состоянию и восстановить нарушенное соот­ношение процессом. При этом суточные, сезонные и многолетние ритмы развития геосистемы сопровождаются определенными флуктуациями процессов, осуществляю­щихся в ее пределах. Саморегулирование геосистемы в полной мере обнаруживается за длительный, многолет­ний, срок.

Взаимокоррелируемость компонентов гео­системы позволяет ей переходить из одного состояния в другое путем воздействия на один или несколько компонентов или элементов. В плейстоцене на обширных площадях Северного полушария имело место многократное изменение гидротермического режима, что приводило к перестройке биоты, почвы, изменению вод и рельефа. В результате одни геосистемы сменялись другими.

Мелиорация земель (как орошение, так и осушение) прежде всего основана на изменении гидротермического режима почвы и приземного слоя воздуха. В пустынях в результате орошения создают особый тип геосистем в оазисах. В Нечерноземной зоне России с помощью осу­шения низинные болота превращают в плодородные сельскохозяйственные земли.

Структурность и функциональность геосистем. Особенности структуры геосистемы опре­деляются упорядоченностью ее ярусов по вертикали и организованностью субсистем в горизонтальной плоскос­ти, т. е. на земной поверхности (Веручашвили, 1972; Иса­ченко, 1981). Естественно, структура элементарной геосистемы (фации) характеризуется в силу однородности ее горизонтального развития лишь ярусностью. Вместе с тем можно рассматривать ярусность геосистем регио­нального и планетарного уровней. В этом случае прихо­дится выделять только основные ярусы, выраженные на значительной части геосистемы.

Ярусность природных комплексов различных рангов уже анализировалась в той или иной мере. Краткий об­зор такого рода исследований содержится в рапсе издан­ных работах (Мильков, 1970; Зубов, 1978), где преиму­щественно обращалось внимание на вещественный состав ярусов, а их энергетика и функциональные особенности нередко игнорировались.

Наиболее полно ярусность выражена в географиче­ской оболочке. Здесь выделяется не менее шести основ­ных (генерализированных) ярусов, каждый из которых обладает специфическими потоками вещества и энергии и играет определенную функциональную роль. Это воз­душный ярус, ярус фотосинтеза (охватывает фотосинтезирующую часть фитосферы), почвенный (на суше с рас­тительным покровом), ледовый (в областях оледенения на суше и в морях), водный (преимущественно в Миро­вом океане), литосферный.

Воздушный ярус образует верхний этаж географиче­ской оболочки. Снизу он ограничен поверхностью расти­тельного покрова на суше, а также поверхностью океа­нов и многолетних льдов морей и континентов. Воздуш­ные массы испытывают активное воздействие земной поверхности. Их энергетический баланс в среднем опре­деляется следующим образом. Приход тепла включает энергию поглощенной коротковолновой радиации — 247,21, конденсации водяного пара — 251,40 и турбулентной теплоотдачи земной поверхностью—50,28 кДж/см2-год. Расход тепла на эффективное излучение в мировое пространство равен сумме наличии трех при­ходных членов теплового баланса, т. е. 548,89 кДж/см2*год (Будыко, 1977, с. 73).

С воздушными массами переносятся огромные массы воды. Воздушные массы являются поставщиками атмосферных осадков. Общее количество влаги в атмо­сфере в среднем составляет 25 мм на всю поверхность земного шара, на осадки за сутки ее расходуется 12%, а среднее время смены влаги в атмосфере — 8,1 дня (Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли, 1974, с. 58, 74). Воздушные массы выполняют важную роль в газообмене, особенно диоксида углерода и кислорода, между геосистемами регионального и топологического уровней и их компонентами. В аспекте геологической истории в воздушном ярусе происходило накопление кислорода, высвобождавшегося в процессе фотосинтеза. Среднее массовое содержание его в атмосфере равно 23,01%, или 20,93 объемных долей. В современную эпо­ху в связи с интенсивным потреблением кислорода на различные технические и бытовые нужды эти показате­ли могут уменьшиться.

Ярус фотосинтеза располагается на суше между по­верхностью растительного покрова и поверхностью поч­вы, в водоемах, включая Мировой океан, охватывает двухсотметровый слой развития фитопланктона. Ярус фотосинтеза качественно выделяется среди других яру­сов планетарной геосистемы активной трансформацией энергии и вещества с участием фотосинтезирующих рас­тений. В процессе фотосинтеза в нем происходит взаи­модействие газов атмосферы, воды, минерального ве­щества в виде зольных элементов и азота. Причем в продукционный процесс (фотосинтез, дыхание растений, транспирация) в гумидных условиях вовлекается до 30—60% энергии радиационного баланса земной по­верхности вегетационного периода.

Наиболее характерной особенностью этого яруса является образование в процессе фотосинтеза органи­ческого вещества и кислорода. При этом в продукции растительности аккумулируется в химически спи связанном виде солнечная энергия: в пустынях — часто до 0,2, а в наиболее продуктивных влажных тропических лесах--6 кДж/см2-год и выше. Это составляет в пустынях умеренных широт не больше 0,2, а в тропических лесах -около 2% радиационного баланса земной поверхности вегетационного периода. В то же время под влиянием надземной части растительного покрова значения ра­диационного баланса земной поверхности могут испы­тывать колебания, достигающие 25—35,% (Раунер, 1972). Чем больше облиствено растительное сообщест­во, тем больше оно поглощает энергии и соответствен­но возрастает величина радиационного баланса земной поверхности.

Почвенный ярус, включая подстилку и непогребен­ные торфяные залежи, развит лишь на суше, имеющей растительный покров. В этом ярусе происходит деструк­ция органического вещества до полной его минерализа­ции с выделением диоксида углерода, азота и зольных элементов, которые могут быть вновь использованы рас­тениями для создания органического вещества. Плодо­родие почвы находится в тесной зависимости от клима­та, геолого-геоморфологической основы и биоты. С из­менением этих компонентов оно также изменяется.

В теплое время года от земной поверхности в почву направляется ноток трансформированной солнечной энергии. В кустарниковых тундрах (Воркута) он со­ставляет 14% от величины радиационного баланса, а в широколиственно-хвойных лесах Подмосковья — около 4% (Павлов, 1979, с. 159—1GO). По мере снижения суровости зим сезонный поток тепла в почву ослабевает и в тропических широтах может быть не выражен. Свободная энергия почвы также содержится в ее органическом веществе (подстилка, гумус, растительные и животные организмы, на болотных почвах—и торф), количество которого в безлесных геосистемах в десятки, иногда даже сотни раз больше биомассы надземной части растительности, а в лесных — обычно в несколько раз меньше. В коренных геосистемах в почве ежегодно в результате деструкции органического вещества осво­бождается вся (или почти вся) энергия, содержащаяся в годичной продукции растительности.

Ледовый ярус образуют ледниковые щиты и покровы суши, горные и шельфовые ледники, а также многолет­ние морские льды. Площадь этого яруса исторически изменялась вместе с изменением климата Земли. Пло­щадь материковых льдов находится в обратной зависи­мости от_ площади почвенного покрова.

Поверхность льда обладает в целом высокими пока­зателями альбедо и эффективного излучения и потому обычно имеет отрицательный годовой радиационный ба­ланс. В центральных районах Арктики он снижается до — 11, а в Антарктиде — до —21 кДж/см2-год (Русин, 1967, с. 41—42). Лед теплопрозрачен (сквозь него про­ходят инфракрасные лучи), и по этой причине через морские льды поступает некоторое количество тепла снизу, от воды, температура которой (около —2 C) обычно преобладающую часть года значительно выше температуры поверхности льда. В Арктике таким пу­тем поступает около 15—17 кДж/см2-год тепла (Русин, 1967, с. 45). В областях, где на поверхности многолет­него льда в году выражен теплый период, могут разви­ваться некоторые водоросли. Годичная продукция их крайне мала.

Водный ярус прослеживается в достаточно глубоких, преимущественно океанических, водоемах между слоем развития фитопланктона и дном. На континентах он присущ лишь глубоким озерам. На его энергетику ока­зывают влияние тепловой поток из недр Земли и энер­гия, поступающая с органическим веществом из выше­лежащего слоя развития фитопланктона. Здесь нет фотосинтезирующих растений, но встречаются гетеро­трофные организмы. Для яруса характерна деструкция органического веществ, которая сопровождается погло­щением кислорода и выделением в соответствующем ко­личестве энергии, диоксида углерода, зольных элемен­тов и азота. Однако, поскольку в слое развития фито­планктона в океане подвергается деструкции около 90% первичной биологической продукции (Скопинцев, 1950), в водном ярусе, расположенном ниже, ее минерализует­ся не более 10%. Тем не менее выход глубинных вод па поверхность способствует обычно обогащению элемента­ми минерального питания слоя фитопланктона и пыш­ному развитию водорослей.

Литосферный ярус образует основание географиче­ской оболочки и соответствует области распространения горных пород с органическим веществом, включая жи­вые организмы. Последние с водными растворами могут распространяться по трещинам на значительную глуби­ну, даже в скальные породы. На преобладающей части поверхности яруса (морские и океанические бассейны, озера, болота) происходит осадконакопление, а в дренированных условиях суши — денудация и формирование коры выветривания. Со времени образования жизни на Земле здесь накапливалось органическое вещество сре­ди осадочных толщ, часть из которых позднее подвер­галась метаморфизации. Известно, что органическое ве­щество содержится в метаморфических породах проте­розоя и архея. С водными растворами оно проникает по трещинам в массивы изверженных пород.

В этом ярусе нет фотосинтезирующих организмов, но в верхней части обитают некоторые гетеротрофы, в основном микроорганизмы.

Энергетика яруса определяется поступлением энер­гии из глубинных частей планеты (проявляется в виде теплового потока, перемещения масс в вертикальном и горизонтальном направлениях).

В целом для литосферного яруса характерны захоро­нение органического вещества, главным образом расти­тельного происхождения, и его консервация среди оса­дочных толщ. В тех случаях, когда органическое веще­ство вместе с вмещающими породами в результате тек­тонических движений попадает в область гипергенеза или, опускаясь, достигает зоны метаморфизма и пере­плавления осадочных пород, оно подвергается деструк­ции, сопровождающейся образованием устойчивых ми­неральных соединении.

Планетарная геосистема обладает сложной ярусностыо, которая существенно изменяется по отдельным субсистемам. В качестве таких субсистем выступают материки и океаны, а в пределах материков—субсистемы более низких рангов — физико-географическая страна, область, провинция и пр. Совокупность субсистем раз­личных рангов с их ярусностыо определяет всю мозаику структуры географической оболочки.

Функциональность геосистемы обнаруживает себя в направленной деятельности ее отдельных ярусов, во взаимодействии их между собой, а также в связях со средой, т. е. с геосистемами того же ранга.

Функциональная роль отдельных ярусов планетар­ной геосистемы в общих чертах была рассмотрена вы­ше. Деятельность этой геосистемы как единого целого проявляется в таких противоречивых и взаимосвязан­ных процессах, как продуцирование и деструкция орга­нического вещества, аккумуляция органического вещест­ва среди осадочных толщ и накопление кислорода в атмосфере, денудация и осадконакопление, развивающие­ся обычно сопряженно с тектоническими движениями.

Продуцирование органического вещества и его де­струкция осуществляются параллельно и почти с одина­ковой в среднем интенсивностью. В этих противополож­ных процессах принимают участие все компоненты гео­системы и вес ее основные ярусы. Образование органиче­ского вещества при фотосинтезе протекает в условиях определенного гидротермического режима с участием фотосинтетически активной радиации. В этот процесс вовлекаются диоксид углерода из атмосферы, зольные элементы и азот из почвогрунтов, а также вода, пре­обладающая часть которой идет на транспирацию. Вода проходит от грунтов (геолого-геоморфологическая осно­ва) и почвы через проводящую систему растений к фотосинтезирующим органам и испаряется в атмосферу. В результате в зеленых растениях идет образование органического вещества и кислорода. Органическое ве­щество по крайней мере некоторое время может удер­живаться в геосистеме, но кислород выводится в атмо­сферу.

Первичная продукция, создаваемая зелеными расте­ниями, нередко почти полностью потребляется гетеро­трофными организмами. В коренных геосистемах продуцирование органического вещества и его деструкция и целом сбалансированы. В геосистемах, не достигших равновесия со средой, обычно имеет место положитель­ный баланс органического вещества.

Аккумуляция органического вещества среди осадоч­ных толщ земного шара сопровождается поступлением кислорода в атмосферу. Каждой единице массы связан­ного в процессе фотосинтеза углерода соответствует выделение в среднем 2,07 таких же единиц кислорода (Камшнлов, Н)70, с. 125; 1974, с. 80). Подавляющая часть продукции растительности Земли подвергается деструкции и лишь 0,8% ее фоссилизируется среди оса­дочных пород. Тем не менее только в фанерозойских осадочных породах погребено 9,1 • 1015 т (Ронов, 1978) органического углерода, а общее его количество в оса­дочной оболочке Земли, по некоторым оценкам, состав­ляет 12-1015 т (Вассоевич, 1973, с. 22). При продуциро­вании органического вещества, содержащего эту массу углерода, было выделено 32-1015 т кислорода. Однако в современной атмосфере содержится лишь 1,2-1015 т кислорода, т. е. 3,75% общего его количества, поступивше­го в атмосферу. Основная часть кислорода ушла на окисление летучих соединений (главным образом про­дуктов дегазации мантии Земли) — сероводорода, фто­ристого водорода, хлористого водорода, оксида углерода, метана, аммония, а также серы, железа и других поли­валентных металлов.

Накопление органического вещества в гигантских масштабах среди осадочных толщ могло происходить в условиях прогрессивного опускания обширных геосинклинальных областей. Эти тектонические движения играли важную роль в формировании осадочных толщ и одновременно в поступлении кислорода в атмосферу.

Поскольку в продуцировании органического вещества принимают участие все компоненты геосистем, постольку его аккумуляция в осадочных толщах и соответственно накопление кислорода в атмосфере являются функциями планетарной геосистемы в целом, а не ее отдельных ком­понентов.

В современную эпоху продуцирование кислорода и его потребление без вмешательства человека в разных частях земного шара могут существенно различаться. Скорость окислительных процессов возрастает с повы­шением температуры. В связи с этим в экваториальном, субэкваториальных и тропических поясах идет интенсив­ное расходование свободного кислорода на окисление железа, марганца и других элементов в коре выветрива­ния при одновременной практически полной деструкции (т. е. также окислении) отмершего органического ве­щества. Напротив, в умеренных и субарктических поясах низкая температура воздуха способствует замедлению окисления минеральных веществ коры выветривания и органики. Здесь создаются более благоприятные условия для накопления и консервации органического вещества в болотах, озерах, руслах и поймах рек и почве, следо­вательно, большее количество кислорода поступает в атмосферу (Добродеев, 1977, с. 60—62). Таким образом, умеренные и субарктические пояса суши являются пос­тавщиками кислорода в атмосферу, а наземные при­родные комплексы экваториального, субэкваториальных и тропических поясов — его потребителями.

Баланс органического вещества географической обо­лочки в целом за период развития жизни на Земле до конца XIX в. был положительным. Но позднее в связи с быстрым ростом потребления горючих полезных иско­паемых он стал отрицательным. В 1975 г. мировое по­требление энергии равнялось 8-109, а в 1980 г., по про­гнозу, должно было составить 10-109 т условного камен­ноугольного топлива. При этом на долю нефти, природного газа и угля приходилось более 90% потребленной энергии. На сжи­гание горючих ископаемых ежегодно затрачивается 2-1010 т кислорода (Добродеев, 1977, с. 61). Общее ко­личество органического углерода, фоссилизирующегося ежегодно в осадках Земли, достигает лишь 5,18- 108 т (Успенский, 1970). Это сопровождается выделением и атмосферу не более 1,4-109 т кислорода. Следовательно, в современных условиях для сжигания топлива из атмо­сферы изымается свободного кислорода в 14 с лишним раз больше, чем его поступает в процессе фотосинтеза. Отрицательный баланс органического вещества и кисло­рода в географической оболочке может привести со вре­менем к крайне нежелательным экологическим измене­ниям.

Осадконакопление развивается сопряженно с дену­дацией. В осадочные толщи поступает разнообразный обломочный материал, который сносится с ближайших приподнятых районов суши, подвергающихся разруше­нию. К этому материалу обычно примешивается органи­ческое вещество, формирующееся на месте или прине­сенное извне. Денудация дает материала больше, чем его идет на осадконакопление, так как часть материала остается на месте или находится в состоянии транспор­тировки. Среднее содержание органического вещества, в основном растительного происхождения, в осадочных породах земной коры составляет всего 0,7—0,8% (Вассоевич, 1973, с. 20).

Без денудации не может быть осадконакопления и фоссилизации органического вещества среди осадочных толщ, а следовательно, и накопления кислорода в атмо­сфере. В планетарной геосистеме создается последова­тельная цепь процессов: денудация — осадконакопление—фоссилизация органического вещества среди оса­дочных толщ — накопление кислорода в атмосфере. По­следовательность указанных процессов возможна при условии, что продуцирование органического вещества превышает его деструкцию, а это часто имеет место без вмешательства человека в геосистемах всех рангов с разбивающейся биотой. Отметим также, что в геосисте­мах топологического, а иногда и регионального уровней могут быть выражены преимущественно либо осадконакопление, либо денудация, либо транспортировка про­дуктов денудации.

Таким образом, процессы, происходящие в планетар­ной геосистеме без вмешательства человека, стремятся к сбалансированности, но никогда в полной мере ее не достигают: продуцирование органического вещества не­сколько превышает его деструкцию; масса аккумулиро­ванного органического вещества среди осадочных толщ существенно больше эквивалентной величины кислорода с атмосфере (исходя из уравнения фотосинтеза); дену­дация преобладает над осадконакоплением. Несбалан­сированность процессов выражена также в геосистемах регионального и топологического уровней. При этом в геосистемах нередко имеет место некоторое накопление свободной энергии.

Эмерджентные свойства геосистемы. Это такие каче­ственные особенности системы, которые не присущи ни одному из ее компонентов (или элементов) в отдельно­сти. Они изучены еще не в полной мере.

В геосистеме любого ранга всегда имеется запас сво­бодной энергии, используемый в процессе се развития. Способность геосистемы обладать и при определенных условиях создавать резерв энергии составляет ее наи­более общее эмерджентное свойство. Свободная энергия проявляется в таких процессах, как денудация, осадконакопление, формирование биоты и почвы, накопление кислорода в атмосфере.

К эмерджентным свойствам геосистемы с развиваю­щейся биотой относятся продуцирование и деструкция органического вещества, способность накапливать орга­ническое вещество и выделять кислород в атмосферу, плодородие почвы, способность оптимизировать условия жизни. Нами (Зубов, 1978, с. 14) уже рассматривались в качестве основных свойств природного комплекса продуцирование и накопление при определенных услови­ях органического вещества, оптимизация условий раз­вития жизни. Они создаются комплексом в целом при активном участии живого вещества как его части, т. е. представляют собой эмерджентные свойства. По этому поводу А. Г. Исаченко (19806, с. 47) заметил: «Особен­но важным «эмерджентным» (качественно новым, производным) признаком геосистемы является ее способ­ность продуцировать биомассу».

Необходимо подчеркнуть, что продуциронамие орга­нического вещества и широком смысле слова включает его деструкцию. Следует различать первичное продуци­рование органического вещества и вторичное его обра­зование. В первичном создании органического вещества зелеными растениями из неорганических соединений принимают участие солнечная энергия, воды, газы атмо­сферы, минеральное вещество земной коры, азот, со­держащийся в почве, а также растения. При этом исходные элементы для продуцирования органического ве­щества (минеральные соединения и газы) подготавли­ваются гетеротрофными организмами. Вторичное проду­цирование органического вещества осуществляют гегеротрофы. Причем потребляют органического вещества они в несколько раз больше, чем его создают. Все вместе взятые гетеротрофные организмы — от крупных фито­фагов до микроорганизмов-редуцентов — в процессе жизнедеятельности в конечном счете подвергают дест­рукции почти всю продукцию растительности.

Таким образом, при первичном продуцировании ор­ганическое вещество действительно создается, а при вторичном оно, в сущности, подвергается деструкции. Если бы первичное образование органического вещества не сопровождалось его деструкцией, то в течение геоло­гически ограниченного времени (например, антропогена) поверхность материков была бы сплошь покрыта орга­ническим веществом растительного происхождения и его дальнейшее продуцирование прекратилось бы. Но этого не происходит, так как продукция растительности на земной поверхности в дренированных условиях почти полностью подвергается деструкции гетеротрофными организмами. В целом при первичном продуцировании органического вещества и его деструкции работает вся геосистема, а не отдельные се компоненты.

В геосистеме всегда имеется определенный запас ор­ганики (биомасса растений и животных, гумус почвы, подстилка и т. д.), часть которой может быть подверг­нута деструкции. Благодаря этому резерву в геосистеме всегда удерживается какое-то количество элементов ми­нерального питания. Запас органики играет роль регу­лятора первичного продуцирования и развития жизни в геосистеме в целом.

Геосистема создает некоторый резерв органического вещества и одновременно выделяет соответствующее количество кислорода в атмосферу. Это свойство, рас­смотренное выше применительно к планетарной геосис­теме, выражено в той или иной мере в любой геосистеме с развивающейся биотой. Оно является эмерджентным свойством геосистемы уже потому, что неотделимо от продуцирования и деструкции органического вещества и соответственно от выделения и поглощения кислорода.

Несомненно, эмсрджентное свойство геосистемы — плодородие почвы, поскольку оно формируется практи­чески при непосредственном участии всех компонентов геосистемы (солнечной энергии, минерального вещества земной коры, вод, биоты и, конечно, почвы) и одновре­менно связано с продуцированием и деструкцией органи­ческого вещества. А. Р. Константинов (1978, с. 27) спра­ведливо указывает, что «понятие плодородия почвы теряет смысл», если одновременно не учитывать ее влагозапасы, а равно климатические условия, подстилающие грунты, рельеф и растительность. При изменении при­родной среды плодородие почвы неизбежно меняется.

Геосистеме присуще такое эмерджентное свойство, как оптимизация развития жизни. Стремление к сба­лансированности всех процессов, протекающих в гео­системе, обеспечивает устойчивость се формирования в целом и способствует прогрессивному развитию жизни в частности. Среда жизни оптимизируется не только са­мой жизнью, но и абиотическими процессами. Более того, абиотические процессы (постепенное снижение температуры поверхности Земли, уменьшение ее естест­венной радиации, образование бескислородной атмо­сферы и гидросферы, частичное ослабление атмосферой поступающей к земной поверхности ультрафиолетовой радиации) способствовали появлению жизни на Земле. Важную роль в оптимизации развития жизни они игра­ли и позднее.

На развитие жизни на Земле благоприятное влияние сказало образование озонового экрана. Последний мог возникнуть, когда достаточная масса органического ве­щества, образовавшегося в результате фотосинтеза, подверглась фоссилизации среди осадочных пород вследствие развития абиотических процессов, а в атмо­сферу поступило соответствующее количество кислорода. Без захоронения органического вещества среди осадочных толщ кислород в атмосфере не мог накапливаться.

Образование почвы на суше улучшает условия разви­тия растительности и жизни в целом, но почва и ее плодородие формируются при активном участии всех компонентов геосистемы. Растительность, особенно леса, составляя большую долю массы биоты, вызывает неко­торое увеличение радиационного баланса. Тем не менее растительность не определяет климатичеекис условия. Напротив, она развивается в тесной зависимости от кли­мата, о чем свидетельствует расположение раститель­ных зон па равнинах и в горах каждого отдельного ма­терика и его крупного региона. Однако растительный покров, прежде всего леса, способствует созданию бла­гоприятного микроклимата для развития организмов. При этом необходимо заметить, что микроклимат фор­мируется не только (а часто и не столько) под влиянием растительности. Его особенности обычно в значительной мере определяются рельефом, почвогрунтами, водами.

Таким образом, оптимизация условий развития жиз­ни создается геосистемой в целом при активном участии биоты как ее составной части.

Особенности энерго- и масеообмена геосистем

Энерго- п массообмеи отдельных сред Земли (атмо­сферы, гидросферы, литсферы, а также почвсино-растительного покрова) был исследован Л. М. Алпатьевым (1983). В геосистеме встречные потоки энергии и веще­ства могут накладываться друг па друга и частично нейтрализоваться. Поэтому суммарный эффект потоков энергии и вещества сред геосистемы может не соответ­ствовать показателям энерго- и массообмена геосисте­мы в целом.

Рассмотрим некоторые наиболее существенные осо­бенности потоков энергии и вещества геосистем.

Экзогенные и эндогенные потоки энергии. Экзоген­ные потоки энергии — это в основном потоки лучистой солнечной энергии. Значение других видов экзогенной энергии (например, энергии приливного воздействия Луны, Солнца и других космических тел, лучистой энергии звезд Галактики) невелико. Эндогенная энер­гия— энергия недр Земли. Эти две категории энергии различаются между собой по качественным и количест­венным показателям.

Солнечная энергия в среднем за достаточно длитель­ный срок по мощности в несколько тысяч раз превышает энергию недр Земли, но тем не менее последняя играет решающую роль в формировании основных неровностей темной поверхности — материковых выступов и океани­ческих впадин, гор и равнин, возвышенностей и низмен­ностей, что, в свою очередь, оказывает влияние на вели­чину поглощенной солнечной радиации и радиационный баланс земной поверхности. В целом значение энергии гедр Земли в формировании геосистем вполне сопоста­вимо с ролью солнечной энергии.

К категории экзогенной энергии относится энергия приливного воздействия Луны и Солнца, которое испы­тывают гидросфера, атмосфера и земная кора, а значит, и геосистемы всех рангов. Приливное воздействие вы­зывает колебания земной поверхности, амплитуда кото­рых достигает 30-50 см (Левитан, 1979; Шульц, 1979). Поднятия и опускания земной поверхности происходят дважды в сутки, они протекают медленно и охватывают огромные территории. В силу особенностей своего про­явления эта энергия оказывает сравнительно небольшое влияние на развитие геосистем суши топологического и регионального уровней.

В недрах Земли заключены огромные запасы энер­гии, о происхождении которой было высказано несколько гипотез. Несомненно, энергия недр Земли генерировалась несколькими способами, а именно: в результате грави­тационного сжатия, распада радиоактивных элементов физико-химической дифференциации вещества в усло­виях высоких температур и давления. Кроме того, в глубинные части земной коры в значительном количест­ве может поступать трансформированная солнечная энергия.

Энергия недр на земной поверхности выражается в виде глубинного теплового потока, тектонических движе­ний (частное проявление которых — землетрясения и моретрясения), вулканизма и перемещения литосферных плит.

Соотношение солнечной энергии, поглощенной земной поверхностью, и энергии недр Земли (глубинный теплопоток имеете с энергией, обусловливающей поднятие или опускание толщ горных пород относительно уровня океана) количественно выражается как п-103:1, где п в геосистемах с развитой биотой колеблется в пределах примерно от 0,6 до 6,0, а на ледниках в полярных широтах (Антарктида, арктические острова) снижается до 0,1 и ниже.

Достаточно резкое, даже сравнительно кратковремен­ное, нарушение сложившегося соотношения между поглощенной солнечной радиацией и энергией недр Земли приводит к разрушению геосистем. Позднее на их месте возникают новые геосистемы, формирующиеся в соот­ветствии с действующими потоками экзогенной и эндогенной энергии. В сущности, каждая геосистема разви­вается при строго определенных показателях потоков экзогенной и эндогенной энергии, их соотношения и режи­ма.

Взаимодействие экзогенных и эндогенных потоков анергии. Взаимодействие потоков солнечной энергии и энергии недр Земли опосредствованно и проявляется через цепь факторов и условий. Существует ряд спосо­бов взаимодействияпотоков экзогенной и эндогенной энергии.

По мнению С. II. Горшкова (1975), имеется не менее трех способов глобального воздействия экзогенных про­цессов на эндогенные:

1) изменение нагрузки на земную кору при денуда­ции и аккумуляции рыхлых наносов, вызывающее соот­ветствующее перемещение вещества в тектоносфсре. Всякое крупное латеральное перераспределение мине­ральных масс па земной поверхности—снос материала с материков к соседним морям и океанам — компенси­руется обратным по направлению током глубинного ве­щества— от океанов к материкам;

2) перераспределение масс в атмосфере и гидросфере от экватора к полюсам и обратно, влияющее на рота­ционный режим Земли, ее форму, положение ядра и су­ществующие напряжения в земной коре и мантии.

3) накопление в осадочных породах трансформиро­ванной солнечной энергии. Выделяясь при мета­морфизме и анатексисе осадочных пород в геосинкли­нальных областях, эта энергия, возможно, выступает главной движущей силой тектонических процессов или по крайней мере играет в них существенную роль.

В свою очередь, эндогенные процессы воздействуют на экзогенные многими путями. Среди наиболее суще­ственных из них отметим следующие:

1) крупные части земной поверхности (материковые выступы и океанические впадины, горные поднятия и равнины суши), обусловленные эндогенными процесса­ми, вызывают значительное изменение показателей по­глощенной солнечной радиации и радиационного балан­са земной поверхности.

2) поступление в атмосферу при интенсивном вулка­низме огромного количества пепла может ослабить сол­нечную радиацию на 10—20%, что в большой степени отражается на величине радиационного баланса земной поверхности и климатических условиях.

3) захоронение и консервация органического вещества среди осадочных пород в областях тектонически обус­ловленных опусканий предопределило накопление кисло­рода в атмосфере, что имело исключительное значение в масштабе геологической истории для развития жизни на Земле и экзогенных процессов в абиотической среде.

Сопоставление экзогенных и эндогенных потоков энергии позволяет сделать следующее заключение. Различаясь между собой по качественным и количественным показателям, они в то же время находятся в тесном взаимодействии. В силу взаимокоррелируемости их влияния на развитие планетарной геосистемы за гео­логически длительный срок они вполне сопоставимы между собой.

Потоки вещества и развитие биоты. Непременным условием развития геосистемы является обмен веществом со средой. Интенсивность и упорядоченность пото­ков вещества тесно связаны с потоками энергии.

Потоки вещества абиотической среды (воздушных масс и отдельных газов, воды и твердого минерального вещества) выступают как замкнутые или разомкнутые круговороты. Часть вещества выходит из круговорота, подвергаясь консервации в пределах геосистемы или покидая ее, а часть в виде молекул газов атмосферы, воды и минерального субстрата земной коры и почвы может продолжительное время циркулировать в геосис­теме.

Потоки воздушных масс и отдельных газов, воды и твердого минерального вещества могут развиваться без участия биоты, но с ее участием интенсивность их усиливается, а структура усложняется. Это связано с тем, что биота обладает способностью увеличивать энсргетическую мощность геосистемы.

Биота организует потоки вещества на более высоком уровне, чем этонаблюдается в абиотической среде. Она создает специфические потки вещества, связанные с ее формированием и развитием процессов продуцирования и деструкции органического вещества.

Сравнительно недавно было введено понятие «начала геосистемы». Начала «сообщают геосистеме как целому» некоторые свойства. С этой точки зрения геосистема представляет собой единство инертного, мобильного и биологически активного начал. Нам представляется целесообразным рассматривать начала как основные специфические потоки вещества геосистемы, находящиеся в состоянии сложного взаимо­действия между собой. В геосистемах вещество и энергия участвуют в потоках одновременно и нераз­рывно. Без потока энергии не может быть потока вещест­ва. Потоки энергии вне вещества не влияют на развитие геосистем, и потому в этих случаях ими можно пренебречь. Так, энергия, соответствующая отраженной коротковолновой радиации и эффективному излучению, реальна, но она не проявляет себя в формировании гео­систем.

Силовые поля (гравитационное, магнитное, электри­ческое) воздействуют в равной степени на все типы по­токов вещества. Наличие силовых полей — непре­менное условие развития потоков вещества. Они пронизывают геосистему, обеспечивая организую­щий фон развития всех потоков вещества в ней и ее общую упорядочен­ность.

В абиотической среде выделяются инертное, мобиль­ное и летучее начала. Инертным началом выступает минеральный субстрат (литогенная основа) вместе с рельефом как одним из его свойств. Минеральное осно­вание геосистемы находится в состоянии медленного движения, его перемещение в результате тектонических движений в вертикальном и горизонтальном направле­ниях обычно не превышает нескольких миллиметров или и лучшем случае нескольких сантиметров в год. Практи­чески это жесткая основа, каркас геосистемы.

Мобильное начало образуют наземные и подземные потоки воды, имеющие исключительное значение для физических и физико-химических процессов геосистемы. К мобильному началу относятся также ледники, сезонные и вечные снега, участвующие в общепланетарном, региональном и меч-том влагооборотах.

Летучее начало—это потоки воздушных масс и отдельных газов. Они нeсyr в себе запас тепловой энергии и обычно определяют гидротермическое состояние над­земной части геосистемы, интенсивность ее физико-химических и биохимических процессов. При их непосредст­венном участии формируются поверхностные и подзем­ные воды, ледники, сезонные и вечные снега. Летучее начало в силу своих свойств играет важную, а нередко решающую, роль в формировании биоты и первичной биологической продукции.

Потоки вещества в биоте, связанные с ее формиро­ванием, продуцированием и деструкцией органического вещества, составляют особое активное начало. Послед­нее развивается в неразрывной связи с началами абио­тической среды и в то же время активизирует и исполь­зует их. Это начало организовано более сложно, чем начала абиотической среды, и обладает свойством само­регуляции.

Биота—трансформатор вещества и энергии геосисте­мы в целом. Но она представляет собой лишь часть гео­системы. Каждое начало геосистемы имеет свои особен­ности. Отсутствие одного из них в современную эпоху практически исключает само существование и функцио­нирование геосистемы. При этом если па заре геологи­ческой истории без активного начала (биоты) своеобразные абиотические геосистемы длительное время раз­вивались на поверхности Земли, то существование биоты без одного из трех начал абиотической среды немыслимо. Состояние биоты (ее количественные и качественные характеристики) является показателем со­стояния всей геосистемы.

В заключении рассмотрения начал геосистемы следу­ет подчеркнуть, что четыре начала геосистемы развива­ются в результате поступления и трансформации сол­нечной энергии и энергии недр Земли при организующем влиянии ее силовых полей и антропогенного воздействия.

Анализ основных связей внутри геосистемы

В геосистеме все компоненты и элементы связаны между собой прямыми и обратными связями, каждый вид и разновидность которых играют в развитии геоси­стемы специфическую роль. При анализе основных связей внутри геосистемы, по-видимому, целесообразно отдельно рассматривать гидротермический режим геосистемы и воздушные массы.

Решающее значение в формировании геосистемы имеют: 1) гидротермический режим; 2)геолого-географическая основа; 3) воздушные массы. Вместе с тем характеристики воздушных масс находят отражение в гидротермическом режиме. Поэтому, в сущности, основные особенности геосистемы практически определяются первыми двумя блоками. В тесной зависимости от них находятся воды, почва и биота. Обратные связи имеют подчиненное значение.

Любой геосистеме присущи соответствующий гидротермический режим, геолого-геоморфологическая основа и воздуш­ные массы, что свидетельствует об их роли в развитии геосистем.

В аспекте геологической истории в географической оболочке формирование ее компонентов шло в такой последовательности. Вначале возникли первичная земная кора (геолого-геоморфологическая основа) и атмо­сфера (точнее, атмогидросфера, поскольку первоначаль­но поверхность Земли обладала довольно высокой тем­пературой и вода превращалась в пар). Затем в связи с понижением температуры земной поверхности образова­лась гидросфера. При этом мощность и масса внешних оболочек Земли постепенно увеличи­вались. Позднее, когда температура поверхности Земли и одновременно уровень радиации достаточно понизи­лись, возникла жизнь: сначала—в океане, затем—на суше. Формирование биоты и почвы на суше шло син­хронно и сопряженно.

Гидротермический режим геосистем. Его характеризуют показатели тепла, ФАР, влаги, а также соотноше­ния тепла и влаги, их динамики и ритмики.

На гидротермический режим оказывает влияние не вся величина суммарной солнечной радиации, а лишь та часть, которая идет на формирование радиационного баланса.

В условиях однородной подстилающей поверхности в каждом конкретном регионе устанавливается определен­ное соотношение суммарной солнечной радиации, радиа­ционного баланса и температуры воздуха для некоторо­го промежутка времени (сутки, месяц, сезон, год). Это соотношение изменяется при переходе в другой регион и изменении свойств земной поверхности. В гумидных условиях она постепенно нарастает с севера па юг вместе с увеличе­нием суммарной солнечной радиации, а в аридных при­родных зонах, особенно в пустынях, снижается в связи с увеличением потерь энергии на эффективное излуче­ние. Наиболее эффективно суммарная солнечная ра­диация используется земной поверхностью во влажных тропических лесах, где величина радиационного баланса может достигать 60%, поступающей солнечной радиации, а в тропических пустынях этот показатель примерно в 2 раза меньше.

Годовой радиационный баланс земной поверхности геосистемы имеет не только количественное выражение, но и качественную определенность, так как формируется в качественно различной природной обстановке

По сути, следует учитывать структуру радиационного баланса, т.е. соотношение за исследуемый период по­ложительных и отрицательных значений радиационного баланса.

Таким образом, показатели радиационного баланса в полярных, умеренных и низких широтах различаются не только количественно, но и качественно — по услови­ям формирования, что сказывается па структуре гео­систем, особенностях их биоты и первичной биологиче­ской продукции.

Каждая геосистема характеризуется определенными средними многолетними показателями суммарной сол­нечной радиации и радиационного баланса земной поверхности, сумм температур выше 0, 5, 10, 15, 20 °С.

Влагообеспеченность геосистем тесно связана с атмо­сферными осадками, а при неглубоком залегании грун­товых вод--и с ними. Абсолютное количество осадков без учета термических условий не может рассматривать­ся в качестве надежного критерия обеспеченности гео­системы влагой. Одинаковое их количество в зависимос­ти от показателей тепла обусловливает в одних случаях избыточное, в других--недостаточное увлажнение. По­этому наряду с абсолютными значениями осадков сле­дует учитывать их соотношение с ресурсами тепла, например с радиационным балансом. Показателем этого соотношения является радиационный индекс сухости В/Lr (В -- годовой радиационный баланс, кДж/см»; L -- скры­тая теплота испарения, равная 2,47 кДж/г; г--годовая сумма осадков, г/см»), который при оптимальном ув­лажнении примерно равен единице, при избыточном--меньше единицы, а при недостаточном--больше еди­ницы.

Большое значение для гидротермического режима и развития геосистемы в целом имеет структура годовой суммы осадков: соотношение твердых и жидких осадков, их распределение в течение года.

Залегание грунтовых вод на небольшой глубине, когда корневая система растений достигает капилляр­ной каймы, создает дополнительное увлажнение, которое в аридных зонах может быть основным источником вла­ги для растений (например, на поймах и в дельтах рек в пустынях).

Влагообеспеченность геосистем тесно связана со структурой их водного баланса, существенно изменяю­щейся вместе с изменением геосистем. Это отчетливо прослеживается на примере равнинных зональных и внутризональных их типов и разновидностей.

.

Годовые показатели радиационного баланса, суммы осадков и радиационного индекса сухости играют важную роль в формировании геосистем, но преувеличивать их значение нельзя. В частности, в зависимости от продолжительности влажного и относительно более сухого сезонов вегетационного периода могут формироваться при одной и той же годовой величине радиационного индекса сухости принципиально различ­ные природные комплексы (например: лесостепь, широколиственно-хвойные и широколиственные муссонные леса; степь и тайга с мерзлотно-таежными почвами).

Оценивая роль гидротермического режима в развитии геосистемы, необходимо подчеркнуть, что он создает в геосистеме определенную упорядоченность (организован­ность) природных процессов, включая физические, химические, биофизические и биологические их разновидности. В тесной зависимости от гидротермического режима происходят формирование коры выветривания, почвы, вод, биоты, образование и деструкция органического вещества

Геолого-геоморфологическая основа составляет мине­ральное жесткое основание геосистемы. Она характери­зуется определенными формами рельефа с учетом их абсолютной и относительной высоты и уклонов, а равно своеобразием геологического строения (включая особен­ности литологии и тектоники), минерального состава, степенью дренированности, глубиной и условиями зале­гания подземных вод. На ее развитии сказывается про­явление как эндогенных (тектонические движения), так и экзогенных процессов. Особенности геолого-геоморфологической основы прямо пли косвенно отражаются на основных свойствах и состоянии геосистемы.

Своеобразие минерального субстрата и форм рель­ефа дает возможность выделить различные типы и раз­новидности геолого-геоморфологической основы на рав­нинах и в горах. Минеральный субстрат различается по механическому составу, тепло- и влагоемкости, форме залегания и специфике влияния на рельеф. Выделяются положительные и отрицательные формы рельефа. Рав­нины занимают промежуточное положение; строго гово­ря, они представлены слабо выраженными положитель­ными и отрицательными формами. Земная поверхность состоит из «сплошных склонов», а склоновые процессы играют в преобразовании поверх­ности суши исключительно большую роль, поставляя ма­териал для морских, аллювиальных и некоторых других отложений. Важной характеристикой геолого-геоморфологической основы является глубина залегания грунтовых вод, что имеет существенное значение для развития геосистемы.

В тесной зависимости от геолого-геоморфологической основы формируются внутренние воды -- реки, озера, потоки грунтовых вод и артезианские бассейны. Минеральный субстрат составляет основу почвы. Минеральные соединения в виде зольных элементов входят в состав организмов (растений и животных), а после их гибели возвращаются в почву и отчасти с водными растворами УХОДЯТ в грунты. Изменение геолого-геоморфологической основы в пространстве, особенно в горах, обычно приводит к изменению гидротермического режима и геосисте­мы в целом. На равнинах, где формируется местный реч­ной сток, относительно небольшие положительные и отрицательные формы рельефа вызывают изменения в увлажненности почвогрунтов, что отражается на их термическом состоянии, свойствах прилегающего слоя воз­духа, особенностях биоты и почвы.

Связи геолого-геоморфологической основы с другими составляющими геосистемы могут проявляться посредст­вом потоков минеральных соединений (например, в почву, воды и биоту) и в организующем и регламентирующем воздействии на свойства воздушных масс, вод и гидро­термический режим.

Направленно же изменяющаяся в пространстве геолого-геоморфологическая основа оказывает решающее влияние на форми­рование геосистем.

Воздушные массы, воды, почва и биота как компоненты геосистемы развиваются в тесной зависимости от гид­ротермического режима и геолого-геоморфологической основы, но вместе с тем каждым из них выступает в ка­честве подсистемы со своими специфическими свойст­вами.

Воздушные массы связаны с другими вещественными компонентами геосистемы и ее гидротермическим режи­мом посредством потоков вещества и энергии. Наряду с потоками воздуха большую роль играют потоки отдель­ных газов (кислорода, диоксида углерода), а также во­дяного пара и аэрозолей (капельки и кристаллы воды, пыль и пр.). Благодаря этим потокам устанавливаются взаимосвязи между воздушными массами - с одной сто­роны, биотой, почвой, внутренними водами и геолого-геоморфологической основой - с другой. Осадки явля­ются доминирующим потоком вещества, идущим от воздушных масс к другим компонентам геосистемы. Од­новременно в процессе испарения воды развивается встречный поток водяного пара от этих компонентов геосистемы к воздушным массам.

Непременным условием развития биоты почвы, внут­ренних вод и геолого-геоморфологической основы высту­пает газо- и водообмен с воздушными массами.

Между воздушными массами и компонентами геосистемы, образующими земную поверхность (геолого-геоморфологическая основа, почва, биота, внутренние воды) Развиваются потоки энергии, причем преобладающий поток направлен к воздушным массам. Практически вся энергия радиационного баланса земной поверхности идет к атмосфере, а именно: 1) турбулентный поток тепла от подстилающей поверхности; 2) энергия, расходуемая на испарение воды у земной поверхности и освобождающаяся в атмосфере при конденсации водяных паров; 3) тепло, накапливающееся в почве в умеренных широтах в первой половине вегетационного периода и поступающее в атмосферу - - во второй. Все это указывает на доминирующее воздействие земной поверхности на воздушные массы. Обратные связи играют здесь несравненно меньшую роль.

Таким образом, анализ основных связей между эле­ментами геосистем позволяет прийти к выводу, что по свойствам геолого-геоморфологической основы и гидро­термического режима можно достаточно точно установить характер биоты, почвы, вод, а равно тип и вид геосис­темы.

Физические факторы дифференциации геосистем

На земной поверхности формируется множество гео­систем топологического и регионального уровней. Они различаются не только по классификационным рангам, но и по физическим параметрам внутри каждого из них. Физические характеристики, как правило, ярче всего проявляются в элементарных геосистемах (фации). В гео­системах более высоких рангов они выступают как осредненные показатели всех фаций, входящих в исследуемую территориальную единицу. Рассмотрим следующие физические факторы, определяющие дифференциацию геосистем:

Тектонические движения (поднятия или опускания структурных элементов земной коры);

|

горные породы, слагающие земную поверхность (с учетом их физических характеристик);

— формы рельефа (их абсолютная и относительная высота, характер склонов);

потоки вещества и энергии (соотношение аккуму­ляции и рассеивания вещества и энергии);

показатели тепла и влаги, их соотношение (осо­бенности теплового и водного баланса);

первичное продуцирование органического вещест­ва, соотношение первичной продукции с деструкцией органического вещества за год.

Тектонические движения влияют на формирование геосистем преимущественно регионального уровня (провинция, область, физико-географическая страна), и обычно на равнинах в геосистемах топологического уровня.

Горные породы, слагающие земную поверхность, со­ставляют жесткое основание геосистем. Выделяются следующие основные категории горных пород: скальные породы (магматические, метаморфические и осадочные типы и виды); крупнообломочные (валунные (камени­стые), галечные (щебнистые), гравийные (дресвяные)); мелкообломочные (пески); пылеватые (лессовые); гли­нистые (супеси, суглинки, глины); сапропелево-торфяные (сапропели, торфы, заторфованные грунты).

Физические свойства горных пород - - строение, плот­ность, влажность, теплопроводность, фильтрация - - ока­зывают наряду с минеральным составом большое влия­ние на формирование почвы, биоты и в целом геосистемы.

Формы рельефа выступают важным условием разви­тия физических процессов, протекающих на земной поверхности. Они могут быть представлены макроформами (выражены в таксономических единицах, соответствую­щих провинции, области, стране), мезоформами (имеют место в пределах ландшафта), микроформами (проявляются на топологическом уровне (фация, урочище), а также наноформами (в пределах фации).

При рассмотрении форм рельефа необходимо учитывать их абсолютную и относительную высоту, а равно особенности развития склонов (крутизна, протяжен­ность).

Выделяют две основные категории форм рельефа: положительные и отрицательные формы. Положительные формы (холм, гряда, возвышенность, кряж, хребет, горная система, нагорье) соответствуют районам рассеива­ния минерального и органического вещества и энергии. Рассеивание осуществляется преимущественно посредством водных, иногда ледниковых, частично воздуш­ных потоков, а также осыпей, обвалов и оползней. Отрицательные формы (различного происхождения впадины, днища долин, котловины, низменности, окруженные поднятиями) - это районы аккумуляции минерального и органического вещества и энергии. Аккумуляция развивается посредством тех же потоков, что и рассеивание вещества и энергии.

На равнинах доминируют формы, отличающиеся незначительными уклонами (не более 2—3°), хотя в отдельных местах (склоны балок, оврагов, холмов) уклоны могут возрастать до 20—40° и более. В связи с этим на равнинах относительно слабо выражено рассеивание, а местами обнаруживается аккумуляция вещества и энергии. Для гор, напротив, характерны крутые склоны. Уклоны здесь нередко достигают 30—45°, а в ущельях могут приближаться к 90°. Но и в горах имеются сравнительно небольшие ровные участки с малыми уклонами (днища речных долин, котловин и т. п.). В целом горные образо­вания соответствуют территориям с интенсивным рассе­иванием вещества и энергии.

Потоки вещества и энергии на земной поверхности развиваются сопряженно. Возможны следующие вариан­ты соотношения их рассеивания и аккумуляции:

рассеивание вещества и энергии , что прису­ще положительным формам рельефа;

аккумуляция вещества и энергии, которая довольно отчетливо проявляется в отрицательных формах рельефа;

3) рассеивание и аккумуляция вещества и энергии сбалансированы или почти сбалансированы, что имеет место обычно на равнинах;

катастрофическое рассеивание вещества и энергии, например, при вулканических извержениях, в местах зарождения обвалов, селей и пыльных бурь;

катастрофическая аккумуляция вещества и энергии, например, при накоплении пород в результате обвалов, при выходе селей на равнину, периодически повторяющихся вулканических извержениях;

6) антропогенное рассеивание вещества и энергии, осуществляемое при открытых разработках полезных ископаемых в условиях различных форм рельефа, а так­ же на мелиорированных болотах, где вследствие возделывания сельскохозяйственных культур постепенно со­кращается торфяная залежь;

7) антропогенная аккумуляция вещества и антропо­генное рассеивание энергии. Они происходят в населенных пунктах и вдоль дорог. Накопление различ­ных по происхождению веществ здесь связано с больши­ми потерями энергии на топливо, организацию производ­ства и питание населения.

В значительной мере развитие геосистем определяют показатели тепла и влаги на земной поверхности и их соотношение. Радиационный баланс земной поверхности за год (В) как показатель тепла на суше может колебаться примерно от -- 21 кДж/см2 на поверхности льдов центральной части Антарктиды до 380 к Д ж/см2 во влаж­ных тропических лесах Амазонии. В свою очередь, годовая сумма осадков (г) как показатель влаги изменяется от нескольких миллиметров в отдельных районах Саха­ры до 1600—2500 мм и более во влажных тропических лесах. Наибольшая годовая сумма осадков на земном шаре отмечается на северо-восточном склоне гор острова Кауаи (Гавайские острова), где она достигает 12090 мм, причем данные получены за пятилетний период наблюдений.

По соотношению показателей тепла и влаги за год геосистемы можно разделить на четыре группы:

I) ледниковые геосистемы, характеризующиеся отрицательными значениями годового радиационного баланса земной поверхности. Здесь все или почти все атмосферные осадки выпадают в твердом виде.Величина B/Lr меньше нуля (L-- скрытая теплота испарения);

2) гумидные геосистемы, при положительных значениях годового радиационного баланса обладающие избыточным атмосферным увлажнением. B/Lr колеблется от о до единицы;

3) переходные геосистемы, отличающиеся сбалансированностью годовых показателей тепла и влаги. Величина B\Lr равна примерно единице или несколько больше;

4) аридные геосистемы, получающие при значительных показателях годового радиационного баланса недоста­точное количество атмосферных осадков, поэтому B/Lr существенно больше единицы.

Геосистемы различаются между собой также по показателю продукции растительного покрова или первичной биологической продукции за год (Р) и ее соотноше­нию с величиной деструкции органического вещества за то же время (Д). Первичная продукция на поверхности ледников с крайне суровыми климатическими условиями практически равна нулю, а во влажных тропических лесах достигает 60 т/га-год и более. Соотношение первичной биологической продукции с деструкцией органи­ческого вещества может быть различным. Здесь намечаются пять возможных вариантов:

1) первичная продукция практически равна нулю (Р=0), деструкция органического вещества без вмешательства человека также равна нулю (Д = 0), что имеет место в ледниковых геосистемах с наиболее суровым климатом;

2) первичная продукция больше деструкции органического вещества (Р>Д). Это характерно для подавляющего большинства геосистем с растительным покровом, развивающихся без вмешательства человека;

3) первичная продукция равна (или почти равна) деструкции органического вещества (Р = Д), что обычно свойственно коренным геосистемам на равнинах;

4) первичная продукция под влиянием статистически случайных катастрофических воздействий среды (вулканические извержения, обвалы, селевые потоки, снежные лавины) резко изменяется от некоторой величины, соответствующей количеству продукции коренной геосистемы, до нуля. Она, как правило, больше деструкции органического вещества (Р>Д) в периоды между катастрофами, а под влиянием последних на некоторое время может снижаться до нуля при одновременном развитии деструкции органического вещества (Р<Д);

5) первичная продукция длительное время остается меньше деструкции органического вещества (Р<Д). Это имеет место в геосистемах, испытывающих сильное антропогенное воздействие (например, населенные пункты, дороги), где интенсивно подвергается деструкции органическое вещество (топливо, продовольствие), а продуктивность растительности относительно невелика. Аналогичная ситуация иногда наблюдается на сельскохозяйственных землях, в частности на мелиорированных болотных почвах. Одним из доказательств преобладания деструкции органического вещества над его продуцированием является снижение мощности торфяной залежи на мелиорированных болотах, уменьшение содержания гумуса в минеральной почве на протяжении многолетнего периода. При этом годичная продукция агроценозов оказывается меньше величины деструкции органического вещества, включая затраты горючего при сельскохозяйственных работах.

Ритмика развития геосистем

Каждый процесс в природе развивается ритмично.

Для географов особый интерес представляет познание ритмов развития геосистем, их компонентов и элементов.

На ритмике развития геосистем сказываются как космическое влияние, так и процессы, происходящие в недрах Земли. Космическая среда ответственна за ритмы приливных возмущений в географической оболочке (атмосфере, гидросфере и литосфере) и ритмы изменения солнечной активности. Процессы, протекающие в недрах Земли, определяют тектонические ритмы различной продолжительности и соответственно ритмы изменения в геолого-геоморфологической основе. Кроме того, ряд ритмов возникают внутри геосистем в процессе их саморазвития. Примерами могут быть ритмы продуцирования органического вещества, развития биоты, популяций, единичного организма. Но они в конечном счете контролируются через цепь взаимосвязей ритмично развивающимися процессами за пределами геосистем, т. е. в космической среде и недрах Земли. Следовательно, автономность саморазвития ритмов внутри геосистем носит относительный характер.

Наиболее крупный ритм развития географической оболочки длится около 200 млн. лет. Он завершается коренной перестройкой земной коры, радикальными изменениями климата и созданием особой пространственной структуры природных комплексов суши и океанов. В фанерозое выделяются три таких ритма - каледонский, герцинский и альпийский (Белоусов, 1975). В течение каждого из них солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики и осуществляется большой ядерный цикл Солнца, что сопровождается изменениями климата. При этом экзогенные и эндогенные процессы развиваются синхронно, однонаправленно и соразмерно (Борисов, 1975).

Следующий, более мелкий, ритм имеет продолжительность около 50 млн. лет. Он сопоставим по времени с геологическим периодом и соответствует своего рода сезону галарктического года, для которого свойственно специфическое воздействие космической среды на географическую оболочку в целом и ее отдельные составляющие (атмосферу, гидросферу, литосферу и биоту). Это находит проявление в особенностях гипергенеза, возникновении и вымирании флоры и фауны, в коренной перестройке природной зональности.

На длительные ритмы развития глобальной геосистемы накладываются ритмы низших рангов. В частности, выделяется ритм, охватывающий десятки — первые сотни тысяч лет, например, в плейстоцене это чередование ледниковых и межледниковых эпох и соответственно изменение природных комплексов, в первую очередь высоких и умеренных широт Северного полушария.

Еще более короткоритмичные изменения климата связаны с колебаниями солнечной активности. Они также отражаются на состоянии природной обстановки и вызывают колебания уровней озер, изменение состояния горных ледников, ледовитости полярных морей, развития торфяников и т. д. Это ритмы продолжительностью 1800-1900, 180 -190, 80-90, 30-35 лет, 22 года, 11 лет. Некоторые исследователи выделяют ритмы в 5-6, 3-4 и менее 2 лет (Шнитников, 1970). По-видимому, изменение солнечной активности связано с воздействием на Солнце космических тел, прежде всего планет солнечной системы. Известно, что в моменты расположения Солнца, Земли (в перигелии) и Луны на одной прямой происходит наибольшее возмущение силы тяжести на Земле и соответственно на Солнце. В этих случаях наблюдаются наибольшие приливы в океанах и морях. Такие взаиморасположения, по О. Петтерсону, повторяются приблизительно через 1800 лет.

А. В. Шнитниковым (1957; 1970) выделяется 1850-летний ритм общей увлажненности материков Северного полушария. В послевалдайское (послевюрмское) время в данном ритме прослеживаются трансгрессивная фаза повышенного увлажнения и регрессивная засушливая фаза. Наличие этого многовекового ритма подтверждается историческими и археологическими данными (Тушинский, 1966).

Физическим процессам на Солнце присущи различные ритмы. Советскими астрофизиками А. Б. Оперным, В. А. Котовым, Т. Т. Цапом открыт внутрисуточный ритм функционирования Солнца. Солнце сжимается и расширяется с периодом 160 мин и амплитудой около 10 км. Эти пульсации сопровождаются синхронными колебаниями яркости Солнца в некоторых диапазонах спектра. Кроме того, прослеживаются ритмы изменении солнечной активности 7-, 14-, 27-суточные, связанные с вращением Солнца вокруг своей оси, годичный ритм, обусловленный вращением Земли вокруг Солнца, а также уже отмечавшиеся многолетние ритмы продолжительностью в среднем 3, 6, 11 лет, 22 года и более длительные.

Интегральный индекс солнечной активности - это относительное число солнечных пятен (число Вольфа), которое отражает изменение числа активных областей на поверхности Солнца. Многочисленные факты позволили А. Л. Чижевскому (1973) в 20—30-х гг. текущего столетия установить корреляционную связь между 11-летними ритмами солнечной активности и эпидемиями холеры, гриппа и других болезней, а также смертностью в России и странах Западной Европы во второй половине XIX - начале XX в. За прошедшие годы число примеров, подтверждающих эту связь, неизмеримо возросло. Однако механизм воздействия солнечной активности на природные процессы на Земле выясняется лишь в современную эпоху.

Установлено, что гелиогеофизические возмущения сопровождаются изменениями электромагнитного поля (ЭМП) Земли, что, в частности, оказывает воздействие

Вспышка на Солнце

Возрастание ультра -фиолетового и рентгеновского излучения

Возмущение

в солнечном ветре

Ионосферное возмущение

Воздействие на

магнитосферу

(магнитная буря)

Изменение спектра ЭМП в сверхнизком диапазоне

на поверхности Земли

Электромагнитная активность воды

Организм

Рис. 5. Механизм воздействия вспышки на Солнце на организм

на биоту. Организмы, вне всяких сомнений, реагируют на вариации ЭМП Земли в сторону как его уменьшения (экранизации), так и увеличения (активного воздействия). Влияние слабого ЭМП на организмы предположительно осуществляется посредством электромагнитной активации воды, содержащейся в живых тканях. Изменение ЭМП вызывает перестройку структуры водных растворов в организмах, что сказывается на поведении последних (Владимирский, Кисловский, 1982).

Схематически воздействие солнечной вспышки на жизнедеятельность организмов (от микробов до млеко­питающих) можно представить в следующем виде (рис. 5).

О физической сущности развития геосистем

Несмотря на кажущуюся неопределенность своих границ, каждая геосистема объективно имеет конкретные параметры не только пространственного развития, но и массы, вещественного состава, свободной энергии, первичной биологической продуктивности и ряда других показателей. Ее развитие как всякой открытой системы возможно при условии постоянного обмена веществом, энергией и информацией со средой, осуществляющегося в результате экзогенного и эндогенного воздействия. Достаточно четко это прослеживается на примере самой крупной геосистемы - географической оболочки.

Потоки вещества, энергии и информации, развивающиеся благодаря экзогенному воздействию (солнечная энергия), охватывают преимущественно верхнюю ее часть: воздушные массы, биоту, преобладающую часть внутренних вод, в некоторой мере почву. Верхняя граница развития названных потоков определяется областью распространения кислорода до озонового экрана. Потоки вещества, энергии и информации, связанные с эндогенным воздействием (энергия недр Земли), развиваются главным образом в нижней части географической оболочки. Они охватывают верхнюю часть земной коры до глубины проникновения органического вещества и в значительной степени почву на суше. Нижняя граница распространения органического вещества, по-видимому, совпадает с нижним пределом географической оболочки. Почва одновременно находится в сфере эндогенного и экзогенного воздействий. Эти две категории воздействий с наибольшей силой проявляются у земной поверхности.

Экзогенное и эндогенное воздействия прослеживаются с достаточной определенностью в крупных региональных геосистемах (физико-географическая страна, область, провинция). Но в более низких по рангу геосистемах, особенно топологического уровня, эндогенный фактор (в частности, тектонические движения - поднятие, опускание, а равно горизонтальное смещение) нередко опосредован более крупными геосистемами регионального ряда. В то же время результаты землетрясений, например в виде разломов и сдвигов на земной поверхности, следы вулканической деятельности, а также тепловой поток из недр Земли находят непосредственное выражение в элементарных геосистемах, что оказывает соответствующее влияние на экзогенные процессы.

Все это позволяет рассматривать геосистему как единую систему потоков вещества, энергии и информации, развивающихся в результате экзогенного и эндогенного взаимодействий близ земной поверхности. Эти потоки определяют особенности гидротермического режима и вещественных компонентов (геолого-геоморфологиче­ской основы, воздушных масс, вод, почвы и биоты), а также важнейшие эмерджентные свойства геосистемы- продуцирование и деструкцию органического вещества.

В своем развитии геосистема стремится уменьшить противоречие между экзогенным и эндогенным факторами, оптимально сбалансировать процессы, протекающие в ее пределах (термодинамические, гравигенные, биофизические и др.), достичь наибольшей устойчивости и равновесия. Геосистема стремится к такому состоянию, когда рассеивание вещества и энергии горизонтально развивающимися потоками уравновешивается их аккумуляцией, рельеф доведен до предельно равнинного состояния, соответствующего продольному профилю равновесия водотоков, а продуцирование органического вещества и его деструкция сбалансированы. В таких условиях биота в результате саморазвития может в некоторых пределах изменять свою структуру, величину и качество биомассы, первичную продуктивность. Все это, естественно, вызывает изменения в геосистеме в целом.

Однако геосистема никогда не достигает абсолютной устойчивости и равновесия, так как ее компоненты и среда, из которой в геосистему идут потоки вещества, энергии и информации, развиваются асинхронно. Асинхронность развития отдельных компонентов геосистемы геолого-геоморфологической основы, почвы, биоты, вод, воздушных масс - обусловлена разной продолжительностью их формирования. Например, в момент, когда биота и почва в геосистеме сформировались и установилось примерное соответствие между продуцированием органического вещества и его деструкцией, рельеф часто продолжает направленно развиваться. Кроме того, ритмика проявления экзогенного и эндогенного воздействий нередко различается по времени и интенсивности, поэтому всякое отклонение одного из рассматриваемых факторов от среднего значения удаляет геосистему от состояния устойчивости и равновесия. Причиной, осложняющей приближение геосистемы к равновесию, часто являются эндогенные процессы (тектонические движения), но аналогичную роль может играть и направленное изменение солнечной активности в течение продолжительного времени при относительной стабильности эндогенного воздействия. В целом равнинные геосистемы более устойчивы, чем горные. Процессы, протекающие в них, отличаются относительно более высокой стабильность.

В своем стремлении к устойчивости и равновесию процессов геосистема может как усложнять, так и упрощать свою структуру, как увеличивать, так и уменьшать биомассу и первичную продукцию. При этом в соответствии со складывающимся взаимодействием экзогенного и эндогенного факторов она может переходить из одного качественного состояния в другое. Упрощение и усложнение структуры геосистем неоднократно происходили в ледниковые и межледниковые эпохи плейстоцена в умеренных широтах Северного полушария.

Когда геосистема постепенно приближается к состоянию сбалансированности потоков вещества и энергии, одновременно возрастает ее упорядоченность, причем геосистема рассеивает часть энергии. В физике мера необратимого рассеивания энергии называется энтропией. Пользуясь этим термином, можно сказать, что геосистема за достаточно продолжительное время развивается с ростом энтропии, стремится к максимуму энтропии, хотя никогда его не достигает.

Вместе с тем не исключены случаи, когда создается временное уменьшение энтропии геосистемы. Поясним это на примере. В пределах геосинклинальной области в результате тектонических движений на месте морского водоема образуется остров, который постепенно поднимается - возникает горная область с высотными природными зонами. В процессе формирования горной области с ее природными комплексами происходит накопле­ние энергии в органическом веществе биоты, подстилки и гумуса почвы, а также в поднятых на значительную высоту над уровнем моря горных породах. При этом необходимо иметь в виду два следующих обстоятельства. Во-первых, геосистема, будучи открытой системой, обменивается веществом и энергией со средой. И если в геосистеме на некотором этапе развития происходит накопление энергии и, следовательно, уменьшается энтропия, то это компенсируется соответствующими потерями энергии и ростом энтропии в окружающей ее среде, т. е. за пределами геосистемы, но в сфере развития экзогенных и эндогенных процессов, под влиянием которых она формируется. Во-вторых, восходящее развитие горной области, сопровождающееся увеличением ее абсолютной высоты, следует рассматривать как один из этапов развития, который неизбежно сменяется нисходящим развитием горной области, когда имеют место рассеивание энергии, накопленной ранее, и соответственно нарастание энтропии. В результате горная область постепенно приближается к состоянию пенеплена (почти-равнины), где формируются зональные типы природных комплексов. Выше уже обращалось внимание на то, что в действительности по ряду причин геосистема не достигает равновесного состояния на сколько-нибудь продолжительное время. Любая геосистема может находиться в одной из следующих двух основных стадий развития: 1) геосистема приближается к равновесию (сбалансированности всех процессов) и ее энтропия возрастает; 2) геосистема удоляется от состояния равновесия, в ее пределах происходит накопление энергии, энтропия уменьшается, но в ее окружении (среде) энтропия компенсационно нарастает. За достаточно продолжительное время у геосистемы любого ранга может быть как первый, так и второй этап развития. Вместе с тем на любой стадии формирования в геосистеме суши всегда имеется некоторый запас свободной энергии, содержащейся в органическом веществе биоты и почвогрунтов, а также связанной с массой минерального вещества, расположенного выше базиса эрозии.