Общие черты строения земной поверхности
В основе построения мира находится симметрия — правильное расположение объектов, поскольку исходные первоосновы мира (поля, тела, потоки) симметричны. Но так как интенсивность связей в различных частях географической оболочки неодинакова, наблюдаются очаги взаимодействия, в пределах которых связанность явлений больше, чем за их пределами. Наблюдается также несимметричность взаимодействий: в некотором направлении воздействие сильнее, чем в обратном. Таким образом, одной из основных закономерностей строения географической оболочки является асимметрия.
Рис. 6.7. Соотношение площадей суши (заштриховано) и океана по географическим широтам, млн км2
Глобальная асимметрияявляется следствием неравномерного распределения различных масс вещества и их разных состояний. Главная особенность строения земной поверхности — асимметрия в распределении материковых и океанических масс: суша концентрируется преимущественно в Северном полушарии, где она занимает 39%, в Южном полушарии на ее долю приходится всего 19 % (рис. 6.7). Асимметрия Северного и Южного полушарий в распределении материков и океанов проявляется в асимметричности типов земной коры, географических зон, высот и глубин (рис. 6.8). Среди других примеров асимметрии планеты С.В. Калесник называет: полярную асимметрию Земли, асимметрию фигуры Земли, планетарные распределения барического поля и систем ветров, температуры воздуха, воды, океаническую циркуляцию, асимметрию криогенных областей.
Рис. 6.8. Сравнение относительных высот земной коры (гипсографическая кривая Земли)
Локальная асимметрияприсутствует в любой геосфере и на любом иерархическом уровне: меандры и ринги в океане, циклоны и антициклоны в атмосфере, рельеф земной поверхности и морского дна, распространение фауны и флоры и др. Окружающий нас мир целиком асимметричен и состоит из отклонений (аномалий), что проявляется в многообразии и неповторимости географических процессов и явлений.
Нуклеарные структуры
Обобщая многочисленные факты влияния географических объектов на окружение, А. Ю. Ретеюм сформулировал концепцию о нуклеарных (ядерных) структурах. Эти структуры представляют собой некое единство объекта и парагенетически связанного с ним окружения.
В качестве ядровых (собирающих вокруг себя) выступают самые разнообразные по размерам, происхождению, составу и структуре тела (А.Ю. Ретеюм относит к ним также поля, волны, знаки, идеи). Это материки, океаны, ледники, горные хребты, магматические тела, озера, холмы, города, лесные массивы и др.
Каждое тело в силу его свойств и местоположения определяет расположение вокруг себя многих объектов. Например, горный хребет влияет на распределение атмосферных осадков в пределах нескольких десятков и даже сотен километров. Это выражается в увеличении количества осадков над самим хребтом и в прилегающих районах (предгорьях, межгорьях, долинах). Если горный хребет стоит на пути влагонесущих потоков, то возникает асимметричное поле: на наветренных склонах осадков выпадает больше, чем на подветренных. Зонирование возникает также в поле влияния городов: от почти полного исчезновения естественной среды в самом городе до перехода к слабо измененным ландшафтам.
Одной из разновидностей нуклеарных структур является циркумконтинентальная зональность. Каждый континент представляет собой гигантскую материковую глыбу, окруженную водами Мирового океана. Многие характеристики подводных ландшафтов прямо или косвенно определяются расстоянием от материка. Например, распределение донных отложений и биомассы. Ближе к материкам откладываются чаще всего осадки терригенного происхождения (обломки пород и минералов, поступающих с суши), которые сменяются преимущественно биогенными илами. Центральные части океанического дна покрыты полигенными осадками, состоящими прежде всего из глубоководных красных глин. Наибольшая биомасса характерна для прибрежной зоны, наименьшая — для центральных частей океана.
Своеобразными нуклеарными структурами можно считать кольцевые (криволинейные) и вихревые (овоидные) образования, которые имеют тектоно-геологическую основу и выражены в ландшафтах. Вероятно, к таковым же структурам относятся огромные вихри вод Мирового океана, мигрирующие в пространстве и во времени.
Контактные зоны
Географическая оболочка — это гигантская контактная зона, с одной стороны, твердой части Земли, с другой — атмосферы, океаносферы и Космоса. Внутри географической оболочки существуют контактные зоны разного пространственного уровня — от глобальных (граница материк—океан, атмосферные и океанические фронты, приледниковые зоны и кромки материковых или морских льдов) до локальных (берега рек, опушки леса, края ледников и др.). На каждом пространственном уровне взаимодействие контактирующих объектов имеет свою специфику, обусловленную особыми свойствами контактных зон. Контактные зоны — это зоны взаимодействия обычно различных сред или состояний вещества, для которых характерны определенные процессы и явления.
В зонах контактов повышается интенсивность процессов (в сотни и тысячи раз по сравнению с центральными частями тел) и возникает избыточная поверхностная энергия. Рассматривая активные поверхности океана, Т.А. Айзатуллин и другие исследователи отмечают, что наиболее впечатляющими на фоне инертности внутренней массы являются пограничные эффекты в твердых телах. Пограничная поверхность вода—твердое вещество (особенно вода— измельченное твердое вещество) составляет самую большую по суммарной площади поверхность раздела фаз в океане. Второе место по площади занимает граница вода—живое вещество. На 1 м2 пограничной поверхности вода—дно (и, соответственно, на 1 м2 поверхности вода—атмосфера) приходится около 1000 м2 рассеянной в толще воды пограничной поверхности вода—детрит, около 100 м2 поверхности вода—бактерии и около 10 м2 поверхности вода—оливково-зеленые клетки.
По мнению ученых, молекулярное состояние вещества у поверхности и в глубине однородного твердого тела можно сравнить с состоянием войны и мира, полосой фронта и тыловой зоной. У поверхности идет бой за существование структуры вещества, происходят химические реакции, создаются и разрушаются молекулы, рвутся и возникают взаимные связи, рассеянными в микропространстве «вспышками» выделяется и поглощается энергия.
Одной из самых активных контактных зон географической оболочки является береговая зона — побережье с прилегающими частями океанов, морей, рек и других водоемов. Берег в целом следует назвать множественной границей, на которой контактируют тела разной вещественной природы: вода—воздух, вода—суша, вода— дно, вода — взвешенные вещества, суша—воздух, вода —живое вещество и др. Для береговой зоны свойственно большое разнообразие растительного и животного мира, форм рельефа, геологических отложений. Продолжением побережья в море является шельф. В его пределах добывается основная масса морепродуктов, большое количество нефти, газа, серы, железной руды, россыпных полезных ископаемых, песка, гравия и др. Наконец, побережье привлекательно в эстетическом отношении, принося существенный доход многим странам за счет туристской и рекреационной Деятельности.
На границе океана и атмосферы в верхнем миллиметровом слое («скин-слое») океана происходит множество сложных процессов. С его поверхности испаряется вода, и, следовательно, осуществляется теплоперенос скрытой теплоты парообразования в атмосферу. В связи с испарением здесь возникает наибольший во всем океане градиент плотности за счет выпаривания и концентрации солей. Через верхний слой в океан поступает диоксид углерода, т. е. реализуется функция океана как планетарного буфера в карбонатной системе океан—атмосфера—зеленый покров Земли—техногенез. Здесь же сосредоточено максимальное количество простейших живых организмов — нейстона, основного продуцента биомассы океана. Установлено, что нейстон, перемешивая воду своими жгутиками, может троекратно увеличивать испарение воды с поверхности. Предположительно, но очень вероятно, что он способен активизировать тем же способом и газообмен океана с атмосферой.
Нейстон создает собственную биогеохимическую среду в поверхностном слое океана: поглощает часть потока СО2 для фотосинтеза, выделяет и частично использует на дыхание О2, ионизирует газы и соли, приводя к определенной перегруппировке ионов и активизации химических (в том числе биогеохимических) процессов. Последнее обстоятельство наиболее важно, так как тонкий слой различных включений на поверхности способен существенным и даже решающим образом влиять на процессы взаимодействия сред. По мнению Ф. Макинтайра, «едва заметные события, происходящие в тонком пленочном слое жидкости, покрывающем семьдесят процентов земной поверхности, играют решающую роль в благополучном развитии жизни на Земле».
Своеобразными контактными зонами являются приледниковые области и кромки льда в океанах. Для них характерны скопления жизни. Так, концентрация организмов в ледовом пограничном слое океана в 10—1000 раз выше, чем в подледной воде. У кромки льда развитие фитопланктона начинается гораздо раньше, чем в открытом океане.
Некоторые районы Мирового океана при вполне благоприятных для развития жизни условиях (температуре воды, освещенности, обеспеченности биогенными элементами и органическим веществом) почти безжизненны.
Однако искусственное создание поверхности раздела может привести к вспышке жизни. Например, у о.Гот (северо-западное побережье Новой Зеландии), где были отмечены лишь три экземпляра рака-отшельника и стайки мизид, был установлен искусственный риф из старых автомобильных покрышек. Через несколько месяцев количество раков-отшельников возросло до 2000, а биомасса рыб стала на порядок больше, чем на ближайших естественных рифах.
Поверхностный слой объекта обладает исключительными свойствами: избыточной свободной энергией, повышенной потенциальной активностью, большим разнообразием условий. По мере преобразования поверхностного слоя твердых тел резко увеличивается общая площадь поверхности (кора выветривания, почва) и поэтому возрастает эффект взаимодействия.
Разнообразие физико-географических характеристик в различных частях океана оценено Т.А. Айзатуллиным и В.Л.Лебедевым. Величина разнообразия, рассчитанная по соответствующей формуле, достигает (в относительных единицах): на побережье — 56—110, острове — 30—42, океанических фронтах — 20—30, у кромки льда — 20.
К активным зонам относятся и очаги взаимодействия энерго- и влагообмена, осуществляемые разными природными процессами и явлениями. Это реки, эстуарии, сейсмически активные районы, места промышленных сбросов, атмосферные и океанические фронты.
Активными точками можно назвать участки интенсивного взаимодействия тел различной природы, размеры которых настолько малы, что на карте они могут быть отмечены точками: подземные и подводные источники, гейзеры, вулканы, устья рек, каньоны, некоторые проливы.
Интенсивность химического и физического взаимодействия между телами в области контакта убывает от поверхности контакта по логарифмическому закону — сначала (в пределах миллиметров и сантиметров) очень быстро, а затем все медленнее. На некотором расстоянии градиенты параметров взаимодействия становятся незначительными, соизмеримыми с градиентами, присущими инертному слою среды (это хорошо видно на примере контакта Космоса и Земли).
Наибольшая контрастность и многообразие условий свойственны слою в несколько десятков сантиметров в травянистых ландшафтах и в несколько десятков метров в лесных. В травянистых ландшафтах это слой между высотой растений и верхней корневой зоной. Выше располагаются приземный слой воздуха (до нескольких десятков метров), тропосфера, стратосфера и др. Ниже активного слоя находятся нижние горизонты почвенного слоя, кора выветривания, осадочный слой горных пород и др. Чем дальше от фокуса расположен слой, тем меньшим разнообразием процессов он характеризуется.
Контактным зонам свойственен краевой эффект, проявляющийся в обогащении их природных ресурсов (флоры, фауны) за счет проникновения объектов из соседних зон (это явление известно также как феномен опушки). Формирующиеся как бы промежуточные полосы геосистем (ландшафтов) носят название маргинальных. Такой характер имеют не только природные, но и природно-антропогенные контактные зоны.
Таким образом, контактные зоны являются наиболее активными и продуктивными участками географической оболочки.
6.9. Проблема границ и иерархичности в геосистемах
Любая геосистема обладает свойствами дискретности и континуальности. Дискретность геосистемы состоит в том, что каждая из них занимает определенную площадь и объем, имеет свои свойства и отделена от соседних систем границами, которые могут быть линейными или расплывчатыми, четко выраженными или затушеванными, стабильными или мобильными. Континуальность геосистем проявляется в непрерывности их распространения, особенно в тех случаях, когда между ними или их подразделениями существуют более или менее широкие области перехода для обмена веществом и энергией.
С проблемой границ напрямую связана проблема иерархии геосфер, подразделения которых должны иметь географический смысл. Л. С. Берг указывал, что охарактеризовать и выделить какой-либо географический ландшафт можно лишь тогда, когда мы установим границы, отделяющие один ландшафт от другого. Для географических выделов используют разные группы индикаторов (геологические, геоморфологические, гидрометеорологические, биологические и др.) с целью корректного покомпонентного подразделения геосистем. Используемая при этом терминология может существенно различаться и часто несет отпечаток субъективизма.