Пространство и время в географической оболочке
Географическая оболочка и ее составные части наряду с вещественно-энергетическими обладают и пространственно-временными характеристиками. На ранних этапах эволюции научной мысли пространство и время не отделялись от вещественной стороны окружающего мира. С развитием форм логического анализа они были выделены в особые категории и атрибуты материи, определяемые через размеры, форму, взаимное положение и ориентацию объектов, а также их возникновение и уничтожение, длительность и этапы существования, развития, ритмику, изменение свойств и др.
Пространство и его характеристики.Самым общим свойством пространства географической оболочки (геопространства) является его сферичность. Это означает, что кратчайшим расстоянием является отрезок дуги большого круга, пространство замкнуто и в нем есть верх и низ. Последнее качество сопряжено с тем, что в поле силы тяжести Земли наблюдается выраженная анизотропность (неравнозначность вертикальных движений), а из-за суточного вращения Земли — неравнозначность западного и восточного направлений (отклонение движущихся тел в соответствии с силой Кориолиса).
Благодаря наличию полюсов и экватора пространство географической оболочки обладает зеркальной симметрией относительно плоскости экватора. Она проявляется не только в фигуре Земли, но и в строении географических поясов, системах циркуляции воздуха и воды и др. Закономерные отклонения от симметрии — асимметрия — имеют значение как показатели неравновесного состояния Земли и географической оболочки.
Наиболее общая пространственная характеристика геосистем — размеры. Диапазон размеров географических объектов чрезвычайно велик: диаметр магнитосферы близок к 100 тыс. км, окружность Земли — приблизительно 40 тыс. км, а размеры наименьших геосистем (фация), изучаемых географией, — несколько десятков метров. Элементы природы меньшей размерности (например, гальки, слагающие пляж, или болотные кочки) также могут исследоваться в географии, но только в качестве составных частей геосистем.
Таким образом, весь пространственный диапазон геосистем определяется величинами от 10 до 107 м. Границы этого интервала достаточно далеки от известных естествознанию границ: Вселенной (1030 м) — мегамира и элементарной частицы атома (10-20 м) — микромира. Вот почему географический мир иногда называют мезомиром.
Время и его характеристики.Наиболее общей временной характеристикой географической оболочки и геосистем является длительность их существования. В относительной геохронологической шкале она включает криптозой и эозой, а в физической — несколько миллиардов лет. Это время сопоставимо с возрастом Земли (4—5 млрд лет) и Вселенной (15— 20 млрд лет). Минимальный временной интервал, который сохраняет еще географический смысл, составляет десятки секунд. При меньших отрезках времени мы наблюдаем уже не географические процессы, а случайные флуктуации.
Фундаментальным географическим понятием является характерное (или собственное) время — последовательность событий от появления (рождения) географической системы до ее исчезновения (смерти). В данную последовательность входят стадии преобразования (эволюции) системы, которые удобно, по аналогии с живым организмом, называть юностью, зрелостью и старостью, в то время как процесс самопроизвольного движения системы по шкале собственного времени называется саморазвитием.
Пространственно-временные меры.Пространственные и временные масштабы геосистем обычно даются в метрических мерах, введенных в физике. Однако нередко удобнее использовать иные меры и шкалы. Так, расстояние между объектами иногда оценивают не в единицах длины, а в затратах времени (один день пути) или энергии (водным или воздушным потоком) на его преодоление. Характерно, что подобные меры существовали в разных культурах. Например, египетская «стадия» или «чакрым» в Средней Азии учитывали условия (усилия, которые надо совершить, чтобы преодолеть определенное расстояние) передвижения: «чакрым» в горах короче, чем на равнине. В метеорологии сила ветра часто дается по 12-балльной шкале Бофорта, а не в метрических единицах (например, в м/с).
В географии также используют позиционные меры расстояния, а в качестве единиц меры — отдельные позиции, которые закономерно разделяют пространственные объекты. Например, между водораздельной линией и руслом водотока непременно находятся склон водораздела (бровка, верхняя, средняя, нижняя части склона, подножье) и пойма. Часто более ценной и содержательной является информация о том, к какой части позиционного ряда относится интересующий нас объект, а не метрическое расстояние или географические координаты (например, сравнить климатические показатели пунктов, расположенных на одной широте, но в разных частях континента).
Время как форма проявления свойств геосистем также не сводится к определению длительности их существования по временной шкале. Из физических мер только год и сутки имеют географический смысл, другие временные меры его лишены. Однако для понимания географических процессов в геосистемах важны такие временные отрезки, как время возвращения геосистемы в равновесное состояние (время релаксации), время становления геосистемы, период полного колебания ее основных параметров, период, на протяжении которого система проходит полный цикл изменений (циклический период), различный для всех компонентов и др. Содержательное значение имеет соотнесение состояния геосистемы с одной из стадий ее эволюции, т. е. с элементом ее собственной временной шкалы. Например, У. М.Дэвис еще в конце XIX в. выделил три стадии развития рельефа: молодости, зрелости, старости. В.В.Докучаев, В.Р.Вильямс и С.С.Соболев исследовали стадии почвообразования и саморазвития эрозионных форм, используя сходную шкалу.
Пространственно-временная интеграция геосистем.Б.Б.Полынов и В. А. Николаев установили, что в такой сложной геосистеме, как ландшафт, сочетаются молодые, зрелые и реликтовые (оставшиеся от прошлых ландшафтов) элементы. Это не случайно. Собственное время каждого элемента различно, поэтому стадии их саморазвития, как правило, не будут совпадать, даже если они имеют близкую природу или непосредственно соседствуют и взаимодействуют между собой.
Благодаря тому, что физико-географические объекты, из которых интегрируются системы в результате их взаимодействия или пространственного соседства, имеют разные пространственно-временные масштабы, взаимодействие объектов может осуществляться только вероятностно-статистическим путем. Ярким примером является формирование климата, который А. С. Монин определяет как статистический ансамбль состояний системы «атмосфера—океан—земная поверхность», создающийся в течение нескольких десятилетий. В.Н.Солнцев, подчеркивая статистический характер ландшафтных взаимодействий, определяет ландшафтную систему как статистический ансамбль состояний, которые проходят ее территориальные компоненты также за несколько десятилетий.
Несоответствие скоростей развития процессов типично не только для различных объектов географической оболочки, но и для каждого отдельного объекта в разные периоды времени. Процесс то замедляется (и тогда время «растягивается»), то ускоряется (и тогда время «спрессовывается»). Например, уплотнено время прохождения таких событий, как весеннее снеготаяние или начало вегетации в средней полосе или в пустыне Средней Азии, когда существенны не только дни, но и часы. В другие сезоны (зима, лето) изменения бывают так малы, что незаметны на протяжении недель и даже месяцев.
Пространственно-временные ряды географических явлений.Примером пространственно-временного ряда может служить известный в геологии закон Головкинского-Вальтера, в соответствии с которым последовательность литологических фаций в вертикальном разрезе отложений отвечает их чередованию в горизонтальном направлении. Поскольку осадконакопление происходит в определенной физико-географической обстановке, то, очевидно, мы можем распространить этот закон и на последовательность чередования обстановок. Вертикальный разрез соответствует времени, а горизонтальный — пространству.
Пространственная структура ландшафтных зон позволяет раскрыть их динамику во времени. При изменении климата ландшафтные зоны будут смещаться в высокие (при потеплении) или в низкие (при похолодании) широты, что действительно имело место в разные исторические эпохи. В каждой точке смена зон во времени будет соответствовать их пространственной последовательности. Например, при потеплении лесостепная зона сменится степной, а затем полупустынной, при похолодании на смену лесостепи придет лесная, а затем лесотундровая зоны. На этой основе В.А. Боков сформулировал позиционно-эволюционный принцип: последовательность эволюционных изменений геосистем определяется их пространственной последовательностью, образующих вместе с ней позиционный ряд.
Пространственно-временная эмерджентность.Взаимодействия порождают эффект эмерджентности — появление у взаимодействующих объектов новых свойств или качеств, отсутствующих ранее у каждого из них. Эмерджентные свойства проявляются по-разному. Если объединяются однотипные объекты (например, небольшие участки леса — в лесную зону, отдельные водотоки — в речную систему, несколько водоемов — в водный бассейн и др.), то характер взаимодействия внешне не изменяется. Однако при этом происходят значительные изменения свойств геосистем, процессов и ответных воздействий на внешние «раздражения». Например, в лесу, расчлененном на отдельные небольшие массивы, ослаблено влияние растительности на микроклимат, более активна борьба древесной и травянистой растительности, иная экологическая обстановка, чем в сплошном лесу.
Сравнение однотипных объектов, которые различаются длиной, площадью и объемом, показывает, что при изменении их пространственных характеристик происходит изменение свойств самих объектов, в частности:
- увеличение площади материка приводит к возрастанию континентальности его климата (самая большая континентальность свойственна внутриматериковым районам Евразии);
- рост площади и объема ледников способствует их саморазвитию, в то время как малые ледники «самодеградируют» (ледник, достигая определенной критической величины, настолько заметно влияет на климат, уровень океана, циркуляцию воздуха, положение снеговой границы, что сам создает условия, необходимые для его дальнейшего развития);
- чем больше длина реки, тем более сглаженный у нее паводок: максимумы выражены слабее, а спад уровня происходит плавно;
- уменьшение площади острова до некоторой критической величины (различна в разных природных условиях) приводит к резкому снижению численности и видового разнообразия растений и животных, упрощению структуры биоценозов.
Однако на свойства геосистем влияет и другая пространственная характеристика — форма. Форма выражает соотношение периметра и площади, площади и объема (для плоских и объемных географических образований соответственно). Чем больше это соотношение, тем активнее воздействует на данный объект внешняя среда. Так, сильно изрезанные побережья морей (далматинский или риасовый тип) имеют совершенно иные ландшафты, чем берега бискайского типа. Для них характерны разные режимы волнения, прибоя, ветра, температуры прогрева вод, а, следовательно, и заметно различающийся характер взаимодействия суши и моря.
Форма в сочетании с географическим положением и ориентацией может иметь огромное значение для географических ландшафтов не только на региональном, но и на глобальном уровне.
Так, общеизвестно влияние горных цепей в качестве климатических разделов: в подветренной части гор может возникать совершенно не свойственный данной широте географический ландшафт (пустыня Атакама в Южной Америке и Ленкоранская низменность в Азербайджане).
Новые качества могут появляться в зависимости от расположения взаимодействующих систем. Известно правило: чем контрастнее соседствующие элементы, тем богаче и разнообразнее выраженное взаимодействие и сложнее структура комплексов. Установлена зависимость свойств от удаленности (в океане — от поверхности воды, на суше — от расстояния до океана) и наличия препятствий, которые мешают или способствуют взаимодействию или изоляции.
Свойства эмерджентности возникают и в связи с разновременностью событий. Например, существенно, как чередуются дождливые и сухие периоды в летнее время (даже если число дождей и количество осадков одинаковы). Это относится к другим показателям, используемым для экологических оценок (сумма положительных температур, количество часов солнечного сияния и др.). В зависимости от временного фактора (скорости протекания процесса) возможны различные его исходы. Например, при длительных напряжениях твердые кристаллические породы литосферы способны к пластическим деформациям, но при кратковременных нагрузках ведут себя как твердое тело.
Таким образом, новые качества появляются как бы из «чистого» пространства или времени. Они не вытекают из субстратных (вещественно-энергетических) свойств, а имеют только пространственно-временную природу. Пространство и время «овеществляются» в определенных процессах.
Компенсация и дополнительность.В условиях ограниченного замкнутого пространства географической оболочки (и ее частей) неизбежно возникают компенсационные явления, которые находят выражение в разнообразных формах. Еще в 40-х годах XX в. Б. Л. Личков сформулировал закон компенсации воздымательных и опускательных движений земной коры, в соответствии с которым воздымание горных цепей сопровождается компенсационными погружениями (впадинами и прогибами земной коры). В геологии известен закон компенсации осадконакопления прогибанием земной коры, благодаря чему поддерживается определенный режим бассейна осадконакопления. Компенсационные явления характерны для климата Земли. Например, при неизменном поступлении солнечной энергии теплая погода в одном месте часто сопровождается похолоданием в другом, так как сумма тепла остается прежней.
Пространственные компенсационные явления обнаруживаются в строении земной поверхности (материки и океаны, положительные и отрицательные формы рельефа), увлажнении ландшафтов (зоны с избыточным и недостаточным увлажнением).
Временные компенсационные явления проявляются в чередовании засушливых и влажных, урожайных и неурожайных лет, периодов вспышек вредителей леса и сельскохозяйственных культур, их малой численности и др.
Пространственные и временные компенсационные явления находят свое выражение в единстве. О чередовании погодных и климатических процессов во времени и в пространстве писал еще А.И. Воейков, а сопряженность величины стока Волги и ледовитости Арктического бассейна была выявлена В.Ю. Визе. Климатологи О.А. Дроздов, Т.В. Покровская, Ю.Л. Раунер установили, что засухи в пределах Русской равнины, как правило, соответствуют хорошему увлажнению на территории северного Казахстана, и наоборот. Такие пространственно-временные сопряжения связаны с определенными временными и пространственными масштабами циркуляционных процессов, наличием у них своего рода «квантов» пространства и времени. На основе этой закономерности с конца XIX в. появились долгосрочные (на несколько месяцев вперед) прогнозы погоды.
Ф.Н.Мильков, рассмотрев многочисленные примеры чередования процессов (восходящие токи воздуха в одних районах и нисходящие в других, испарение влаги и выпадение осадков, перемещение океанских водных масс в разных направлениях и др.) пришел к выводу, что принцип компенсации является одним из основополагающих в устройстве географической оболочки. Этот принцип определяет возникновение и существование круговоротов вещества и энергии как одну из важнейших форм организации географических систем в условиях ограниченного пространства земной поверхности.
Близкий смысл имеет принцип дополнительности, сформулированный А.Д.Армандом, В.О.Таргульяном, В.А.Николаевым, Т. П. Куприяновой. Суть его сводится к тому, что для устойчивого существования геосистем и географической оболочки в целом необходимо такое пространственное и временное состояние их частей, которое обеспечивает их устойчивое функционирование. Дополнительными частями являются горная система, предгорье и прилегающая равнина, животные, растения и микроорганизмы в биоценозе и др. В более широком смысле друг друга дополняют материки и океаны (иначе природа географической оболочки была бы иной), экваториальная и полярная области, циклоны и антициклоны и др.
Дополнительность есть основа взаимодействия геосистем, ибо взаимодействие имеет место у объектов, которые являются, с одной стороны, различными, контрастными, а с другой — дополнительными, совместимыми.
Знание принципов компенсации и дополнительности позволяет использовать их в исследованиях окружающей среды (например, при изучении колебательных природных процессов). Необходимо понимать, что географические явления одного типа ограничены в пространстве и времени, и неизбежно должны смениться явлениями другого типа. Если мы знаем размеры «квантов» явлений в пространстве и времени и их физическую природу, то это значительно облегчает анализ и прогноз.
Принципы компенсации и дополнительности необходимо учитывать в конструктивно-географических и геоэкологических моделях и разработках, а также в географической и экологической (эко-лого-географической) экспертизе, так как всякое направленное изменение природных систем является формой перераспределения. Например, мелиорация в Средней Азии, получившая невиданный размах в 60 —80-х годах XX в., привела к компенсационному процессу усыхания Аральского моря. Стремление улучшить климат определенных регионов мира, как правило, будет наносить ущерб другим территориям, поскольку сумма климатических показателей (количество солнечного тепла, осадков и др.) в замкнутом пространстве изменяется мало.
Метахронность географической оболочки.Явление метахронности впервые было описано К.К.Марковым в 1938 г. и дословно означает «чередование времени». Метахронность проявляется в том, что наступление и чередование фаз и стадий развития геосистем происходит несинхронно в разных частях земного шара, даже если геосистемы располагаются на одной широте и имеют сходные параметры.
К.К. Марков рассматривает временные стадии и циклы как функцию конкретных условий вместе с пространственной характеристикой. Установлено, что формирование ледникового щита Антарктиды началось значительно раньше, чем оледенение Северного полушария (ледниковый щит в Антарктиде возник после ее отчленения от Южной Америки и Австралии и образования циркумполярного течения западных ветров, которое изолировало Южный океан от притока теплых вод из низких широт). Следовательно, специфическое пространственное положение Антарктиды относительно других материков и привело к тому, что здесь оледенение сформировалось раньше, чем в аналогичных районах Северного полушария. Различия во времени образования ледниковых покровов и разных типов растительности имеют место и между регионами Евразии, расположенными на одной широте. Их тоже можно связать со спецификой географического положения каждого региона.
Приведенные примеры свидетельствуют о взаимосвязи пространственных и временных отношений. Во многих случаях эта взаимосвязь реализуется через пространственно-временные ряды.
Контрольные вопросы
Что такое географическая зональность?
Чем определяется географическая зональность?
Что объединяет и различает понятия «климатические» и «географические пояса»?
Как подразделяют ландшафтные зоны суши?
В чем своеобразие зональности Мирового океана?
Чем определяется географическая зональность Мирового океана?
В чем причины нарушения схемы географической зональности?
В чем состоит специфичность высотной поясности?
В чем заключается асимметрия Земли и каковы ее следствия?
Что такое нуклеарные структуры?
Что такое контактные зоны и как они формируются?
Какую роль исполняют барьеры в географической оболочке?
Что такое ландшафтная система и каковы ее свойства?
В чем смысл классификации ландшафтных систем?
В чем смысл классификации ландшафтов по антропогенному признаку?
В чем заключается метахронность развития?
Какова роль пространства и времени в географических процессах и явлениях?
ЛИТЕРАТУРА
Айзатуллин Т.А., Лебедев В.Л., Хайлов К.М. Океан. Активные поверхности и жизнь. — Л., 1979.
Арманд Д. Л. Наука о ландшафте. — М., 1975.
Берг Л. С. Географические зоны Советского Союза. — Т. 1. — М., 1947 — 1952.
Берлянт A.M. Геоиконика. — М., 1996.
Беручашвили Н.Л. Четыре измерения ландшафта. — М., 1986.
Богданов Д. В. Региональная физическая география Мирового океана. — М., 1985.
Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. — Л., 1980.
Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. — Смоленск, 2002.
Григорьев А. А. Типы географической среды. — М., 1970.
Гумбольдт А. Картины природы. — М., 1959.
Дэвис В. М. Геоморфологические очерки. — М., 1962.
Докучаев В. В. К учению о зонах природы. — М., 1951.
Зенкевич Л. А. Моря СССР, их фауна и флора. — М., 1956.
Зенкович В. П. Основы учения о развитии морских берегов. — М., 1962.
Игнатьев Г.М. Тропические острова Тихого океана. — М., 1979.
Исаченко А. Г. Основы ландшафтоведения и физико-географическое районирование. — М., 1965.
Исаченко А. Г., Шляпников А. А. Ландшафты. — М., 1989.
Колесник СВ. Общие географические закономерности Земли. — М., 1970.
Кольцевые структуры лика планеты / Ред. Л. Иваненко. — М., 1989.
Котляков В. М. География в меняющемся мире. Изб. соч. — Кн. 3. — М. 2001.
Леонтьев O.K. Физическая география Мирового океана. — М., 1982.
Личков Б. Л. Природные воды Земли и литосфера. — М., 1960.
Макинтайр Ф. Верхний миллиметр океана: наука об океане. — М., 1981.
Мильков Ф.Н. Ландшафтная сфера Земли. — М., 1970.
Милъков Ф.Н. Физическая география: учение о ландшафте и географическая зональность. — Воронеж, 1986.
Мир географии. География и географы. Природная среда. — М., 1984.
Монин А. С, Шишков Ю.А. История климата. — Л., 1979.
Наука об океане / Под ред. О. И. Мамаева. — М., 1983.
Неспокойный ландшафт / Ред. Д. Брансден и Дж. Дорнкемп. — М., 1981.
Николаев В. А. Проблемы регионального ландшафтоведения. — М., 1979.
Николаев В.А. Ландшафтоведение. — М., 2000.
Оллиер К. Тектоника и рельеф. — М., 1984.
Перельман А. И. Биокосные системы Земли. — М., 1977.
Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. — М., 1999.
Полынов Б. Б. Географические работы. — М., 1952.
Рамад Ф. Основы прикладной экологии. — Л., 1981.
Ретеюм А. Ю. Земные миры. — М., 1988.
Рябчиков A.M. Физическая география материков и океанов. — М., 1988.
Петров К.М. Биогеография океана. — СПб., 1999.
Сваричевская З.А., Селиверстов Ю.П. Эволюция рельефа и время. — Л., 1984.
Симметрия рельефа / Отв. ред. Н.А.Логачев, Д. А. Тимофеев, Г. Ф. Уфим-цев. — М., 1992.
Солнцев В.Н. Учение о ландшафте. Избранные труды. — М., 2001.
Сочава В. Б. Введение в учение о геосистемах. — Новосибирск, 1978.
Степанов В.Н. Океаносфера. — М., 1983.
Физическая география Мирового океана / Отв. ред. К. К. Марков. — Л., 1980.
Хаггет П. География: синтез современных знаний. — М., 1979.