3. Пространственная организация геосистем

Понятие организации геосистемы имеет два значения:

1. Организация как процесс, то есть формирование организации, процесс формирования порядка. Это общеизвестная географу совокупность отношений, способствующих возникновению порядка в природе. Сток воды постепенно оформляется в древовидную систему водотоков. Климат приземного слоя воздуха (топоклимат) зависит от рельефа, растительного покрова, увлажнения. Почвенный покров способствует дифференциации растительности, а та, в свою очередь, влияет на почвенный покров. Формируется сопряженный почвенно-растительный покров. Животное население выбирает наиболее подходящие местообитания, но в свою очередь, определенным образом их видоизменяет. Люди избирательно используют природный ландшафт, оказывая на него влияние вплоть до полной перестройки – в результате возникает новый антропотизированный или антропогенный, или техногенный ландшафты.

2. Организация как состоявшееся упорядочение в пространстве и/или во времени, т.е. как результат этого процесса, развертывающегося во времени и находящего отражение в пространственной дифференциации природы.

Далее будет рассматриваться преимущественно второй вариант понятия (если не будет специально оговариваться иное).

Организация геосистемы – это определенным образом упорядоченная в пространстве и/или времени совокупность её элементов, соответствующая ряду внутренних требований. Она бывает обусловлена как внешними факторами, так и внутренними (имманентными системе) свойствами и отношениями – устройством, структурой системы.

Могут иметь место, по крайней мере, два вида организации:

1. Организация, заданная извне. Эффективная организация геосистемы за счет внешних сил, скорее всего, неэффективна, так как воздействие внешних сил проявляется в отдельных потоках энергии, вещества и информации и не имеет целостного характера. Например, извне задается структура и режим поступления солнечной радиации. Как известно из Землеведения, в географической оболочке и то, и другое претерпевают определенные изменения благодаря разной прозрачности атмосферы, влиянию облачности, действию атмосферных фильтров, разнообразию подстилающей поверхности и т.п. Т.е. заданная внешними условиями организация приспосабливается, адаптируется к свойствам самой системы.

Человек все чаще выступает внешним фактором организации геосистем (культурный ландшафт: урболандшафт, агроландшафт), однако пока еще нет возможности говорить о безусловном успехе антропогенной организации, т.к. негативных примеров не менее чем успешных результатов.

Местоположение – это внешняя характеристика позиции геосистемы, от которой зависят внешние потоки энергии и вещества. Местоположение - это уникальное географическое свойство, содержание которого в большой степени связано с зональным фактором и рельефом. Рельеф способен модифицировать условия местоположения так, как бы перемещая его в другую природную зону. Всем известен орографический фактор: например, что склоны разной экспозиции имеют разные условия местоположения, находясь даже в непосредственной близости один от другого.

На мегауровне местоположение определяется поясно-зональными условиями. На макроуровне оно зависит от географической провинции. На мезоуровне они определяются условиями физико-географического района, типа ландшафта. На локальном уровне (топологическом, как называют его геоморфологи) местоположение в решающей мере определяется рельефом –экспозицией и крутизной склонов. Например, разные склоны холма или горной гряды формируют разные местоположения.

Местоположение определяет пространственно-временную структуру внешних потоков (вещества, энергии и информации), связывающих геосистему с её окружением.

Местообитание – понятие экологическое. Оно определяет совокупность условий функционирования, жизни геосистемы (неорганической и органической, а точнее – смешанной природы), возникающую вследствие наложения свойств геосистемы на условия местоположения. Местообитание – динамическое понятие (по сравнению с местоположением), т.к. оно меняет свои свойства в процессе функционирования и саморазвития геосистемы. Первичная структура геосистемы трансформирует потоки, воздействия, что приводит к обратной связи - перестройке самой структуры. Она, в свою очередь, определяет изменение характера получения и преобразования внешних потоков, а это приводит в очередной раз к изменению структуры.

Структура геосистемы есть результат нескольких составляющих: первичной субстанции: M, - некоего первичного распределения элементов, то есть первичной структуры – S_p и внешних потоков – F. Их взаимодействие приводит к появлению новых характеристик, то есть меняется структура, меняется характер получения и трансформации поступающих вещества, энергии и информации. Постепенно меняется и местообитание – P. Изменение характера местообитания приводит к новому изменению M, S_p и F. И так далее.

Таким является многомерный географический образ геосистемы, существующий в пространстве-времени и функциональном процессе.

Может ли сочетаться многомерность с геометрической трехмерностью?

Как уже отмечалось выше, одной из причин возникновения многомерности в геосистемах есть сосуществование в них элементов с разными временными масштабами и градиентами. Именно так всегда устроена земная поверхность, где постепенно наслаиваются, возникают и исчезают новые образования, которые вынуждены сосуществовать в непосредственном или отдаленном соседстве (приблизительно как люди, автомобили, домашние животные на улице города).

Геосистемам каждого ранга свойственно по-разному относиться к внешним факторам и влияниям. Например, пространственный градиент солнечной радиации небольшой (она практически не зависит от расстояний к первым десяткам километров), потому он не проявляет себя на уровне рассмотрения относительно малых по масштабу геосистем. Но на склонах, в зависимости от экспозиции и крутизны, эти различия бывают разительными: в средних широтах 1⁰ уклона равнозначен перемещению на 1⁰ широты. Благодаря этому, пространственный градиент свойств земной поверхности может изменяться и в пространстве, и во времени в значительных диапазонах колебаний. Например, выпадение снега увеличивает отражательную способность поверхности в несколько раз (временной градиент велик), а заснеженный и противоположный склоны, если последний обнажился от снега, имеют альбедо, различающееся в 3-5 раз (большой пространственный градиент).

Благодаря этому, в геоэкологии Л.Г.Раменским сформулирован принцип: в близких местоположениях могут возникать существенно разные местообитания.

Таким образом, местоположение – это геометрическая и одновременно топологическая категория, которая отображает в себе пространственно-временную многомерность геосистем. Местообитание – это совокупность свойств, которые, совместно проявляясь, создают определённые условия протекания географического процесса. Можно сказать, что местообитание – категория геоэкологическая.

В геоботанике и учении о геосистемах существует метод комплексной ординации, сначала предложенный и разработанный луговедом-экологом Л.Г.Раменским и потом усовершенствованный географом-экологом В.Б.Сочавой. В целом, многомерность геосистем, не нарушая трехмерности физического пространства, проявляется за счет наслоения факторов.

Всегда возникает познавательная проблема: как в принципе и в каждом конкретном случае происходит пространственно-временное сосуществование огромного количества объектов, каждый из которых относительно самостоятелен. Таковое возможно благодаря тому, что характерное время каждого из них очень разное, поэтому масштаб изменения од-ного может быть несущественно малым по сравнению с масштабом изменения другого (В. М. Солнцев). Например, многолетняя динамика растительности – сукцессия ( характеное время которой порядка 10² лет) «не замечает» тектонических движений, характерное время которых порядка 10⁶ лет. Есть и другие, менее контрастные соотношения.

Их временнóе взаимодействие будет незначительным, и они могут существовать как бы независимо, «не замечая» динамики одна другой.

Пространственная организация в большой мере проявляется, прежде всего, в геометрии геосистемы. Кардинальное значение имеет количество измерений пространства – его мерность. Геосистемы находятся одновременно в трёхмерном геометрическом пространстве; они геометрически трехмерные. Геометрически, трёхмерная геосистема – это лишь мгновенное состояние части природы земной поверхности. Если геосистема рассматривается во времени, то возникает четвертая координата – время.

Геосистемное пространство анизотропно, потому что вертикальная протяженность обычно меньше по сравнению с горизонтальными размерами, а движение по вертикали вверх и вниз требует разных усилий из-за суперпозиции с гравитационным полем. В движении по горизонтали проявляется сила Кориолиса, которая является функцией широты и результатом вращения Земли вокруг оси.

Важным проявлением пространственной организации является гетерохронность элементов геосистемы или взаимодействующих между собой геосистем. Гетерохронность - когда разные составляющие одной геосистеми или разные геосистемы разновозрастны. Одни из них образовались раньше, даже в других природных обстановках; м.б., они являются даже реликтовыми. Например, это реликтовые флювиогляциальные ландшафты, которые сохранились в определенных местах расположения от ледникового периода.

Другие же составляющие или целые геосистемы возникли недавно (их называют прогрессивными – это никак не значит, что их появление имеет непременно позитивный характер. Но они могут развиваться так стремительно, что эти изменения могут фиксироваться за короткие отрезки времени. Например, геосистема оврага прирастает и глубоко изменяется после каждого ливня или обильного снеготаяния. Можно было бы, например, снять из одной точки фиксированным фотоаппаратом последовательные изменения геосистемы, а потом, смонтировав эти кадры в фильм, собственными глазами увидеть изменения, которые происходили в трехмерной геосистеме уже в четвертой координате – координате времени.

Пространственная организация в большой степени проявляется, прежде всего, в геометрии геосистемы. Кардинальное значение имеет количество измерений пространства, или его мерность. Геосистемы находятся в трехмерном геометрическом пространстве; они трехмерны. Но, при этом, они анизотропны, т.к. вертикальная протяженность укорочена по сравнению с горизонтальной протяженностью за счет гравитационного поля. Геометрически трёхмерная геосистема – это только мгновенное состояние части природы земной поверхности.

Вторым проявлением пространственной организации является гетерохронность элементов геосистемы или взаимодействующих между собой геосистем. Т.е. разные части одной геосистемы или разные геосистемы между собой по-разному относятся к фактору времени. Одни из них образовались, например, раньше; м.б., они являются даже реликтовыми, но существуют длительно в монотонной шкале времени. Например, это реликтовые флювиогляциальные ландшафты, сохранившиеся, в определенных местоположениях, от ледниковья. Иные же возникли недавно, но развиваются так стремительно, что изменения могут фиксироваться за короткие отрезки времени (например, овражная геосистема прирастает и изменяется после каждого ливня или таяния снега). В последнем случае можно было бы, например, снять с одной точки фиксированным фотоаппаратом последовательные изменения геосистемы, а затем, смонтировав эти кадры в фильм, воочию увидеть изменения, которые происходили в трехмерной геосистеме в четвертой координате – координате времени. Т.е. геосистемы в реальной физической природе четырехмерны. Но если мы углубимся в рассмотрение времени, то окажется, что разные части одной геосистемы живут каждая в своем характерном времени. Время окажется не менее мерным, чем пространство. В конечном итоге, мы придем к тому, что геосистемы в географическом смысле - многомерные образования. Причем, подчеркнем, это не модельная абстракция, а реальный образ геосистемы, которая каждой своей частью перемещается в пространстве, меняя конфигурацию и соразмерность частей, а во времени как бы по-разному «дышит», можно сказать. Таков географический образ геосистемы. Таким образом, мы установли, что в силу сочетания этих двух групп факторов – пространственных и временных, реально существующие геосистемы многомерны. Как можно сочетать многомерность с геометрической трехмерностью?

Как уже отмечалось выше, одной из причин возникновения многомерности в геосистемах является сосуществование в них элементов с разными временными масштабами и градиентами. Именно так всегда устроена земная поверхность, где постепенно наславиваются, возникают и исчезают новые образования, которые вынуждены (примерно как люди, автомобили, домашние животные на улице города) сосуществовать в непосредственном и отдаленном соседстве.

Каждый ранг геосистем по-разному относится к внешним факторам и воздействиям. Это дало основание И.Г.Черванёву распространить закон факторной относительности Н.И.Маккавеева, установленный им для гидросети, на геосистемы в целом (1979). Например, пространственный градиент солнечной радиации невелик (она практически не зависит от расстояний до первых десятков километров), поэтому он не проявляет себя на уровне рассмотрения относительно небольших по масштабу геосистем. Зато пространственный градиент свойств земной поверхности может меняться и в пространстве, и во времени, в больших диапазонах колебаний. Достаточно напомнить, например, что выпадение снега увеличивает отражательную способность поверхности в несколько раз (временной градиент велик), а заснеженный и противоположный обнажившийся от снега склоны имеют альбедо в 3-5 раз различающееся (пространственный градиент велик). Следовательно, такие большие градиенты отражательных свойств имеют место, прежде всего, в небольших соседствующих геосистемах, т.е. на уровне географических фаций, урочищ, местностей, благодаря чему в близких местоположениях могут возникать совершенно различные условия местообитания.

Но смысл местоположения шире традиционно понимаемого геодезического измерения или геоморфологического определения. Например, расстояние от осевой зоны хребта может быть различным в геодезическом смысле, но оно будет каждый раз топологически однотипным: осевая линия, склон хребта, бровка речной долины (ущелья), верхний, средний и нижний отрезки приречного склона, пойма, русло реки. Различие в величине расстояния (в геодезических мерах) может не иметь никакого геоморфологического содержания, но в то же время оно может оказывать влияние на климатические параметры и тем самым на экологические условия геосистем. Здесь, правда, все равно эффект связан с формой рельефа – хребтом, но этот вопрос увёл бы нас за рамки геосистемного анализа. Другой вариант местоположения – расстояние от водоема. Здесь рельеф совсем не проявляет себя (по крайней мере, в равнинных условиях), и на первый план выступает воздействие водоема на местный климат. Таким образом, местоположение – это геометрическая и одновременно топологическая категория, которая отражает в себе пространственно - временную многомерность геосистем.

В геоботанике и учении о геосистемах существует метод комплексной ординации. Он был первоначально предложен и разработан луговедом-экологом Л.Г.Раменским и усовершенствован географом-экологом В.Б.Сочавой ¹³.

В целом многомерность геосистем, не нарушая трехмерности физического пространства, проявляется за счет наслоения упорядочивающих, лимитирующих или усиливающих факторов. В каждом конкретном случае происходит пространственно - временнόе сосуществование множества объектов, каждый из которых относительно самостоятелен.

Сосуществование разномасштабных (по размерам и по времени проявления) явлений, объектов возможно благодаря тому, что время изменения каждого из них очень различно, чем обусловливается, что масштаб изменения одного может быть несущественно малым по сравнению с масштабом изменения другого (В.Н.Солнцев). Их взаимодействие будет незначительным, и они могут существовать как бы независимо.