Специфика пространственно-временной организации географических систем
Введение
Учение о географических системах (геосистемах) является одним из главных фундаментальных достижений географической науки. Оно по-прежнему активно продолжает разрабатываться и обсуждаться. Поскольку это учение имеет не только глубокий теоретический смысл в качестве ключевого базиса для целенаправленного накопления и систематизации фактического материала с целью получения нового знания. Велика и его практическая значимость, так как именно такой системный подход к рассмотрению инфраструктуры географических объектов лежит в основе географического районирования территорий, без которого невозможно выявлять и решать ни локально, а тем более глобально, какие-либо проблемы, касающиеся в той или иной мере взаимодействия человека, общества и природы: ни экологические, ни природопользования, ни вообще оптимизации взаимоотношений человечества и природной среды.
Географическая оболочка – среда обитания человека и объект исследования географов – находится в зоне динамического соприкосновения и взаимодействия эндогенных, экзогенных и космических процессов, разных геосфер: литосферы, биосферы, гидросферы, атмосферы. В чем состоит на этом фоне специфика геосистем, чем определяется их целостность, функционирование, динамика, эволюция, и как результат – их пространственно-временная организация? На рассмотрение этого круга вопросов в ракурсе современных представлений и нацелен настоящий реферат.
Раздел 1. Географические системы (геосистемы) и их основные свойства
Географами уже давно было замечено, что природные компоненты, составляющие естественную среду жизни человека, находятся в зависимости один от другого и в своем размещении по земной поверхности образуют взаимосвязанные территориальные сочетания. В географической литературе эти сочетания описывались под разными названиями: типы, или роды, местностей, ландшафты, природные территориальные комплексы, географические комплексы, геокомплексы, геосистемы.
В реальности подобных территориальных комплексов, или систем, легко убедиться, пересекая любую территорию по какому-либо направлению, т.е. по линии профиля. Так, перемещаясь с севера на юг, можно проследить, как вслед за изменениями климата происходит постепенная, но вполне согласованная, закономерная зональная смена условий общей обводненности территории, характерных форм рельефа, почв растительности и животного мир.
Чтобы заметить тесную взаимную пространственную приуроченность перечисленных компонентов и реальность образуемых ими сочетаний, вовсе не обязательно проделывать маршруты в сотни и тысячи километров по меридиану. Наглядное представление о географических комплексах может дать небольшой профиль, проложенный от речной долины к ближайшему водоразделу. Именно такие профили ввели в практику географических исследований ученики В. В. Докучаева Г. И. Танфильев (1857—1928), Г. Ф. Морозов (1867—1920) и Г. Н. Высоцкий (1865—1940) около ста лет назад. В качестве удачного примере можно привести комплексный профиль участка лесостепи из знаменитой книги Г. Ф. Морозова “Учение о лесе”, впервые изданной в 1920 году (рис. 1). Этот профиль сопровождается планом, так что в совокупности получается как бы объемное трехмерное представление сравнительно небольшого пространства, отчетливо дифференцированного на последовательно сменяющие друг друга комплексы. Каждый из девяти комплексов отличается своим положением в рельефе, материнской породой, почвой, растительностью. Если бы по этому профилю проводились наблюдения, над микроклиматом, уровнем грунтовых вод и другими природными явлениями, то в них непременно обнаружились бы различия по участкам профиля.
Географические компоненты взаимосвязаны не только в пространстве, но и во времени: их развитие происходит сопряженно1. Так, колебания климата вызывают изменения органического мира, уровня озер, водности рек, характера почв и даже рельефа. Поднятия и опускания земной коры влекут за собой перемены в климате, водном режиме, что, в свою очередь, неизбежно вызовет перестройку биоценозов, почв и географических комплексов в целом. Правда, перемены скажутся не сразу, поскольку каждому компоненту присуща большая или меньшая инерционность, и нужно время, чтобы они снова пришли в соответствие между собой.
Таким образом, географический комплекс (или геосистема) представляет собой определенную целостность не только в пространстве, но и во времени, и его можно определить как пространственно-временную систему географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое2.
Что касается терминологии, то в настоящее время в географической литературе употребляются как синонимы природный территориальный комплекс (ПТК), геокомплекс и геосистема. Последний термин, предложенный в 1963 г. В. Б. Сочавой, представляется наиболее удачным3.
К геосистемам относятся и такие сложные обширные системы, как ландшафтные (природные) зоны (например, тундра, тайга, лесостепь), и относительно простые образования, наподобие показанных на рисунке 1 (болота, дюнные холмы с сосняками и т. п.). Нужно, следовательно, различать уровни организации геосистем. Здесь мы укажем пока только три главных уровня геосистемной иерархии: глобальный (иначе — планетарный), региональный и локальный4.
Глобальный уровень представлен на Земле в единственном числе, а именно — географической оболочкой, которую короче называют эпигеосферой. Геосистемы регионального уровня — это крупные структурные части эпигеосферы, в том числе ландшафтные зоны, а также секторы, провинции, ландшафты и некоторые другие. Наконец, к геосистемам локального уровня относят наиболее простые комплексы, из которых построены региональные геосистемы. Именно к этому уровню принадлежат выделы профиля (урочища), изображенного на рисунке 1.
Чем выше ранг геосистемы, тем сложнее ее строение, которое раскрывается через характер сочетания подчиненных систем низших рангов. И чем ниже ранг, тем проще устроена геосистема, тем она однороднее. Последовательно спускаясь “сверху вниз” по таксономической лестнице геосистем, мы в конечном счете придем к последней ступени — к однородной, географически далее неделимой единице — так называемой фации.
При всем разнообразии уровней строения геосистем все они обладают некоторыми общими свойствами, которые выделяют их среди множества других систем объективной действительности (физических, биологических, социальных и др.) и определяют их “географичность”. Первое свойство всякой геосистемы — ее целостность. Систему нельзя свести к сумме ее частей — компонентов. Из взаимодействия компонентов возникает нечто качественно новое, например, способность продуцировать биомассу. “Продуктом” геосистемы, т.е. результатом ее функционирования как единого сложного механизма, служит почва — новый компонент, который не мог бы образоваться от механического сложения воды, материнской породы и органической массы, — именно целостность геосистемы порождает почву.
Целостность геосистемы проявляется в ее относительной автономности и устойчивости к внешним воздействиям, в наличии естественных границ, упорядоченности структуры. Геосистема, конечно, не изолирована от внешней среды, ее пронизывают потоки энергии и вещества, поступающие извне. Но внутренние связи геосистемы более тесные, чем внешние. В ней происходят непрерывный обмен и превращение энергии и вещества. Всю совокупность процессов перемещения и трансформации энергии и вещества в геосистеме можно назвать ее функционированием. Оно слагается из поглощения и трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического круговорота, биологического метаболизма и механического перемещения вещества под действием силы тяжести.
Структура геосистемы определяется как ее пространственно-временная организация или упорядоченность взаимного расположения и соединения отдельных частей. В геосистемах различают структуру вертикальную (или радиальную) и горизонтальную (или латеральную).
Первая выражается в ярусном, т.е. упорядоченном в соответствии с законом всемирного тяготения, расположении компонентов, которые связаны вертикальной же системой вещественно-энергетических потоков. Примерами вертикальных системообразующих потоков могут служить выпадение атмосферных осадков, их фильтрация в почву и грунтовые воды, поднятие водных растворов по капиллярам почвы и материнской породы и по сосудам растений, испарение с почвы, транспирация.
Под горизонтальной структурой геосистемы подразумевают упорядоченное расположение геосистем низших рангов внутри системы более высокого ранга, например урочищ в пределах ландшафта, как это показано на рисунке 1. В данном случае упорядоченное расположение локальных геосистем (урочищ) определяется рельефом. Рельеф же направляет и основные латеральные потоки: водный (склоновый) сток, а вместе с ним — перенос твердых частиц и вещества в растворенном виде, стекание холодного воздуха по склонам.
Помимо пространственной упорядоченности геосистемам присуща и временная упорядоченность структурных частей. Достаточно вспомнить о снежном покрове — это специфически временной компонент, который регулярно появляется и исчезает во многих геосистемах в холодное время года. Зеленая масса растений, напротив, появляется и “работает” (т.е. участвует в функционировании) в геосистемах высоких и умеренных широт лишь в теплое время года. Таким образом, всякой геосистеме свойственен закономерный набор состояний, ритмически сменяющихся в годичном цикле. Один год — это характерное время геосистемы, или время ее выявления.
Отсюда мы подходим к понятию динамика геосистемы. Под динамикой имеются в виду такие изменения геосистемы, которые имеют обратимый характер и не приводят к перестройке ее структуры. Это прежде всего циклическая смена состояний (сезонных, суточных), а кроме того, восстановительные смены, возникающие после нарушения геосистемы внешними факторами, в том числе и хозяйственным воздействием (например, вырубкой леса, распашкой). Динамические изменения свидетельствуют о способности геосистемы возвращаться к исходному состоянию (пока действие внешних возмущающих факторов не перешло некоторого критического порога), т.е. ее устойчивости. Устойчивость и изменчивость — два важных качества геосистемы, находящиеся в диалектическом единстве.
От динамики следует отличать эволюционные изменения, или развитие геосистем. Развитие — направленные (необратимые) изменения, приводящие к коренной перестройке структуры, т.е. к появлению новой геосистемы (например, вследствие глобальных изменений климата, интенсивных тектонических движений и ряда других причин). Эволюционные изменения присущи всем геосистемам. Перестройка локальных геосистем может происходить на глазах человека, о чем свидетельствуют такие процессы, как зарастание озер, заболачивание лесов, возникновение оврагов. Время трансформации систем регионального уровня измеряется геологическими масштабами (по меньшей мере, тысячелетиями и даже миллионами лет). Перестройка всей географической оболочки, естественно, требует наиболее длительных сроков.
Раздел 2. Особенности пространственно-временной организации геосистем
2.1. Геосистема высшего ранга: географическая оболочка (эпигеосфера)5
Географическая оболочка впервые была определена П. И. Броуновым еще в 1910 г. как “наружная оболочка Земли”6. Это наиболее сложная часть нашей планеты, где соприкасаются и взаимопроникают атмосфера, гидросфера и литосфера. Только здесь возможно одновременное и устойчивое существование вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. В этой оболочке происходит поглощение, превращение и накопление лучистой энергии Солнца; только в ее пределах стало возможным возникновение и распространение жизни, которая, в свою очередь, явилась мощным фактором дальнейшего преобразования и усложнения эпигеосферы. Наконец, внутри этой оболочки появился человек, для которого она стала географической средой — средой обитания и преобразовательной хозяйственной деятельности.
Эпигеосфера не имеет резких границ, она открыта воздействиям как из Космоса, таки из глубинных толщ планеты, в которые постепенно и переходит. Верхние пределы эпигеосферы обычно проводят по тропопаузе — пограничному слою между тропосферой и стратосферой, лежащему в среднем на высоте 10—12 км от уровня Океана. Ниже этой границы свойства воздушной оболочки в значительной мере определяются влиянием подстилающей поверхности суши и Океана, откуда поступают тепло и влага, а также твердые частицы и живое вещество (бактерии, споры и пыльца растений и др.).
Более спорны нижние границы эпигеосферы, во всяком случае, они лежат не глубже 3—5 км, куда еще проникают газы атмосферы, вода в жидком состоянии (правда, в виде очень горячих и сильно минерализованных растворов) и некоторые бактерии. Гидросфера полностью входит в географическую оболочку — вплоть до самых больших глубин (11 км), где обнаружены живые существа (бактерии).
Целостность эпигеосферы определяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом между ними, который по своей интенсивности значительно превосходит обмен между эпигеосферой в целом, с одной стороны, и открытым Космосом и глубинными толщами планеты — с другой.
Структура эпигеосферы чрезвычайно сложна, причем четко выражены как ее вертикальная, так и горизонтальная составляющие. Три основных структурных блока — тропосфера, гидросфера и осадочная оболочка земной коры (стратисфера) — расположены в виде ярусов в соответствии с их плотностью. Четвертый блок (компонент) — биосфера как совокупность всех организмов — не образует самостоятельной оболочки, а пронизывает все три главных яруса. При этом живое вещество в основном сосредоточено в зонах непосредственного контакта трех неорганических сфер, образуя, по выражению В. И. Вернадского, “пленки жизни”7. Таких “пленок”, а по существу внутренних контактных структурных ярусов эпигеосферы, получается три: на стыках атмосферы — литосферы, атмосферы — гидросферы (точнее — Мирового океана, или океаносферы) и океаносферы — литосферы (рис. 2).
Наибольшей сложностью выделяется контактный слой, или сфера наземных ландшафтов (иногда называемая ландшафтной оболочкой), включающая поверхностную толщу земной коры — зону гипергенеза мощностью в десятки или сотни метров (максимум до 500—800 м) и приземный слой тропосферы до высоты 30—50 м, пронизанный наземными частями растительного покрова. В сущности, эта структурная единица географической оболочки формируется на контакте всех трех неорганических сфер, поскольку и гидросфера широко представлена здесь разнообразными скоплениями поверхностных и подземных вод. Здесь же сосредоточена подавляющая часть (не менее 99%) живого вещества Земли. В этой тонкой “пленке жизни” находятся основные механизмы трансформации вещества и энергии Земли, это своего рода “главная кухня” эпигеосферы, непрерывно поглощающая и преобразующая солнечную энергию; здесь интенсивно протекают процессы влагообмена, миграции химических элементов, разрушения горных пород, переноса и аккумуляции рыхлых наносов, биологического синтеза и разложения, формирования почв, различных форм рельефа и т. д.
Сфере наземных ландшафтов присуща пестрота и контрастность от места к месту, т.е. ярко выраженная латеральная структура: эта сфера слагается из множества геосистем регионального и локального порядков, о чем будет рассказано ниже.
Второй контактный ярус приурочен к зоне непосредственного взаимопроникновения и взаимодействия гидросферы и тропосферы, в нее входят поверхностная толща Мирового океана (на глубину до 150—200 м) и примыкающий к нему подводный слой тропосферы. Газы тропосферы проникают в водную толщу, движение воздушных масс способствует ее интенсивному перемешиванию. Благодаря проникновению солнечных лучей поверхностный слой Океана заселен зелеными растениями, хотя плотность их (на единицу площади) значительно меньше, чем на поверхности суши. Эта “пленка” является аналогом сферы наземных ландшафтов, и ее можно назвать сферой океанистических ландшафтов. Здесь наблюдается также латеральная дифференциация (в данном случае ее можно без натяжек считать горизонтальной, так как поверхность Океана, в отличие от суши, действительно горизонтальна) и формируются особые геосистемы, но не наблюдается такой пестроты и контрастности, как на суше.
Наконец, третий контактный ярус эпигеосферы — это сфера подводных ландшафтов. Она включает океанистическое дно вместе с придонным слоем водной толщи Мирового океана. Здесь при большом участии остатков водных организмов формируются донные илы — аналог почвы. Хорошо выражена латеральная дифференциация, особенно на шельфе, где обильное поступление вещества с суши в сочетании с солнечным освещением и интенсивным перемешиванием создает благоприятные условия для развития водорослей и различных беспозвоночных.
Функционирование эпигеосферы осуществляется за счет энергии, приходящей в основном извне, и прежде всего лучистой энергии Солнца. Тепловой поток из глубин Земли эквивалентен всего лишь 0.02—0.03% потока солнечной энергии. Кроме того эпигеосфера обладает большими запасами потенциальной энергии, накопленной за счет тектонических процессов и равной примерно половине ежегодно приходящего к Земле потока электромагнитного излучения Солнца. Эта энергия реализуется (превращается в кинетическую) при денудации, т.е. перемещении твердых масс обломочного материала (обвалы, оползни и др.). Запас энергии иного рода — потенциальной химической — накоплен в осадочной толще организмами за всю историю их существования и в настоящее время расточительно расходуется человечеством.
Поглощенная солнечная радиация расходуется главным образом на нагревание поверхности Земли и океанов (при этом между тремя главными блоками эпигеосферы происходит сложнейший обмен) и на испарение влаги с поверхности Мирового океана и материков. Эти энергетические взаимодействия стимулируют интенсивный круговорот веществ, который, прежде всего, проявляется в наиболее подвижных средах — воздушной и водной.
В силу неравномерного нагрева подстилающей (субаэральной) поверхности на разных широтах, а также на суше и на океанах атмосфера получает в различных регионах неодинаковое количество тепла. По этой причине над подстилающей поверхностью образуются воздушные массы с разной плотностью (атмосферным давлением), нарушается термодинамическое равновесие в тропосфере и происходит перемещение (циркуляция) воздушных масс.
Аналогичные явления наблюдаются и в поверхностной толще Мирового океана, но главным фактором циркуляции водных масс и образования системы морских течений оказывается ветер, т.е. циркуляция воздушных масс.
Круговорот вещества в эпигеосфере не ограничивается его механическим перемещением в однородной среде. Особое географическое значение имеют переходы вещества из одной геосферы в другую, сопровождаемые сложными физико-химическими и биологическими превращениями и качественными изменениями всех блоков эпигеосферы. Так, газы атмосферы постоянно присутствуют в других структурных ярусах географической оболочки: растворяются в водах Мирового океана и суши, попадают туда в виде воздушных пузырьков в результате волнения, проникают далеко в глубь земной коры. Атмосферный кислород участвует в разнообразных окислительных реакциях почвы, водоемов, коры выветривания, используется организмами для дыхания; углекислый газ — основной “строительный материал”, из которого зеленые растения синтезируют органические вещества.
Циркуляция атмосферы — важный передаточный механизм, с помощью которого осуществляется обмен теплом, влагой, минеральными солями между сушей и океаном. Влага, поступающая в воздушные массы в результате испарения, циркулирует вместе с ними, составляя важнейшее звено мирового влагооборота. Ежегодно в нем участвует 525 тыс. км3 воды. Из них 412 тыс. км3 составляет водообмен между Мировым океаном и атмосферой (т.е. количество влаги, испаряющейся с поверхности океанов и возвращающейся на нее в виде атмосферных осадков), 41 тыс. км3 переносится воздушными массами из океанов на сушу и столько же возвращается в виде стока; влагооборот между сушей и атмосферой равен 72 тыс. км3.
Наиболее сложный характер имеет влагооборот в сфере наземных ландшафтов. Из общего количества осадков 113 тыс. км3 в виде поверхностного стока удаляется 29 тыс. км3, остальная часть фильтруется в почву и грунты, откуда частично также стекает в Мировой океан в виде подземного стока, частично испаряется с поверхности почвы и растений, но наибольшая часть перехватывается корнями растений и участвует в продукционном процессе. При этом лишь 1% всасываемой корнями влаги используется на построение живого вещества, остальное же “перекачивается” в атмосферу путем транспирации. В ландшафтах с развитым растительным покровом транспирируется 50—80% выпадающих осадков.
Твердое вещество земной коры наиболее инертно вследствие большой силы сцепления частиц. Но под влиянием атмосферных газов, воды и организмов оно приводится в движение и вовлекается в большой геохимический круговорот, в водную, воздушную и биогенную миграцию. С речным стоком ежегодно с суши в океан выносятся десятки миллиардов тонн взвешенных частиц и несколько миллиардов тонн растворенных солей в виде ионов Ca+2, Mg+2, Na+, CO32ClSO42- и др. Из океанов вместе с водяным паром и брызгами солевые частицы поступают в атмосферу, и некоторое их количество с атмосферными осадками выпадает на земную поверхность, частично компенсируя их вынос из земной коры. Кроме того, между сушей и океаном наблюдается интенсивный пылеоборот: ветер поднимает в воздух десятки или даже сотни миллиардов тонн пыли (в том числе и солевой) в год. Часть этой пыли выпадает над океаном, часть оседает на поверхности суши.
В геохимическом кругообороте вещества особо следует выделить биологическую составляющую. На синтез живого вещества расходуется ничтожная доля поглощаемой эпигеосферой солнечной энергии — не более 0.1%. Да и сама масса его, казалось бы, ничтожна — примерно одна миллионная доля от общей массы эпигеосферы. Однако роль биоты в функционировании и развитии географической оболочки огромна вследствие исключительной химической активности организмов. Скорость биологического метаболизма (обмена веществ) во много раз превышает скорость абиогенного кругооборота. Ежегодно обновляется примерно 1/10 всей живой массы Земли, а фитопланктон океана в среднем обновляется каждые сутки. Для сравнения отметим, что для полного обновления всей массы воды Мирового океана через испарение потребовалось бы 3200 лет. Иными словами, ежегодно в обороте находится лишь 1/3200 воды Мирового океана, а что касается вещества литосферы (в той ее части, которая расположена выше уровня океана, т.е. при средней мощности 875 м), то в оборот через денудацию вовлекается ежегодно лишь несколько более 1/10 000000 ее части.
Организмы используют для построения живой материи почти все химические элементы, особенно велика их роль в круговороте углерода, азота, фосфора, серы. Относительное содержание углерода в организмах в 780 раз выше, чем в осадочных породах, азота — в 150 раз. Вовлекая в круговорот элементы литосферы и накапливая их в почвенном гумусе и осадочных породах, биота препятствует их выносу в океан. За всю историю существования жизнь как бы многократно пропустила через тела организмов вещество неорганических оболочек Земли, полностью преобразовав их. Вся осадочная оболочка (стратисфера) создана при прямом или косвенном участии живых существ; биогенное происхождение имеет основной газовый состав атмосферы.
Все процессы в эпигеосфере подвержены ритмическим и направленным (эволюционным) изменениям. Динамика эпигеосферы складывается из множества ритмических колебаний разной продолжительности и разного происхождения. Самые короткие ритмы — суточный и годовой — имеют астрономическую природу. Колебания солнечной активности вызывают возмущения магнитного поля Земли и циркуляции атмосферы, а через последнюю воздействует на климат, гидрологические процессы, ледовитость морей, биологическую продуктивность (что фиксируется, в частности, в годичных кольцах деревьев). Известны 11-летние, 22 — 23-летние ритмы этого типа и более продолжительные (до 80—90 и 160—200 лет).
Со взаимным перемещением тел в системе Земля — Солнце — Луна связаны периодические изменения приливообразующих сил, что проявляется в климате, водности, развитии ледников. Установлен 1850-летний цикл подобного происхождения, а кроме того, намечается несколько более коротких (до 1—2 лет) и более продолжительных (до 3500—4000) лет ритмов. Колебания эксцентриситета земной орбиты, наклона земной оси к плоскости орбиты также сказывается на климате. С этими факторами связывают ритмы большой продолжительности (41 000—45 000, 90 000, 370 000 лет), одним из проявлений которых являются материковые оледенения.
Самые длительные ритмы, с амплитудой в миллионы лет, геологические. К ним относят большие геологические циклы (165—180 млн. лет), в том числе каледонский, герцинский, мезозойский и кайнозойский. Начало каждого из них знаменовалось опусканиями земной коры и морскими трансгрессиями, выравниванием климатических контрастов; завершается цикл орогеническими движениями, расширением суши, усложнением ее рельефа, усилением климатических контрастов, большими преобразованиями в органическом мире.
Разные ритмы накладываются друг на друга, причем многие из них повторяются не со строгой периодичностью, а имеют циклический характер. Поэтому отдельные ритмы не всегда бывают ясно выражены. Возможны автоколебательные ритмические явления, обусловленные не внешними по отношению к эпигеосфере процессами, а собственными закономерностями, присущими тем или иным компонентам или процессам. Простейший пример — циклы в жизни леса, связанные с продолжительностью жизни лесообразующих пород. Более сложный процесс — автоколебания в системе ледники — атмосфера — Океан. Рост ледниковых щитов сопровождается похолоданием и понижением уровня океана. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению испарения, осадков и сокращению ледников. Но сокращение ледников имеет своими следствиями рост площади океанов, потепление, увеличение количества осадков, что способствует новому наступлению ледников, и т. д.
Ритмические изменения не бывают замкнутыми, и чем больше продолжительность цикла, тем меньше возможность возвращения природных комплексов к прежнему состоянию. Каждый последующий цикл не является полным повторением последнего, и в конечном счете развитие эпигеосферы необратимо — оно имеет вид восходящей спирали, каждый виток которой знаменует одновременно поднятие на более высокий уровень развития. В качестве самых больших “витков” можно рассматривать тектонические циклы.
Необратимость (направленность) развития эпигеосферы проявляется в постепенном усложнении ее структуры, появления новых компонентов и новых типов геосистем. На протяжении последних 550—600 млн. лет, соответствующих фанерозою, эволюция эпигеосферы прослеживается достаточно отчетливо. В земной коре за это время происходило сокращение геосинклиналей и разрастание платформенных структур, усиление процесса осадкообразования, увеличение мощности осадочной оболочки и усложнение ее вещественного состава, в особенности биогенной аккумуляции. В гидросфере увеличивалась соленость, причем на первых этапах Мировой океан обогащался солями благодаря вулканизму, а в дальнейшем усилилось значение выноса солей с суши речным стоком; соответственно на фоне преобладающих ионов Na+ и Cl- возрастала доля Ca2+ и CO32
В первичной атмосфере господствовали, по-видимому, гелий и водород, затем она обогащалась газами глубинного (вулканического) происхождения — парами воды, двуокисью и окисью углерода, сероводородом и др. По мере развития растительного покрова двуокись углерода стала изыматься из атмосферы, и одновременно в нее поступало все больше кислорода и азота.
Прогрессивная линия развития — от низших форм к высшим — особенно очевидно выражена в органическом мире. Организмы играли все более существенную роль в преобразовании неорганических геосфер. Это дает основание рассматривать жизнь, точнее ее взаимодействие с абиогенной средой, как главную движущую силу развития эпигеосферы.
2.2. Иерархия региональных геосистем: дифференциация эпигеосферы и физико-географическое районирование
Дифференциация эпигеосферы на геосистемы регионального уровня обусловлена сложными взаимоотношениями двух главных энергетических факторов — лучистой энергии Солнца и внутриземной энергии, их неравномерным распределением, как в пространстве, так и во времени.
Количество поступающей коротковолновой радиации Солнца на единицу площади земной поверхности уменьшается от экватора к полюсам вследствие шарообразности Земли. С этим связано закономерное изменение всех физико-географических процессов и в целом геосистем по широте, называемое географической (широтной) зональностью Зональность имела бы математически правильный характер, если бы вся поверхность земного шара была однородной по своему составу и не имела бы неровностей. В действительности же картина зональности оказывается много сложнее8..
Уже в атмосфере поток солнечных лучей подвергается преобразованию. Здесь часть его отражается от облаков и рассеивается в мировом пространстве. В силу подвижности воздушной среды образуются циркуляционные пояса с воздушными массами, обладающими неодинаковой прозрачностью по отношению к солнечным лучам. Над экватором в атмосфере много облаков, которые сильно отражают и рассеивают коротковолновую радиацию, тогда как в тропиках воздух наиболее сух и прозрачен. Поэтому максимальное количество лучистой энергии Солнца приходится не на экватор, а на пояса между 20-й и 30-й параллелями в обоих полушариях9.
Важнейшим следствием зональности радиационного баланса и циркуляции атмосферы является зональное распределение тепла и влаги. Запасы тепла на земной поверхности изменяются в общем соответствии с радиационным балансом, а также среднемесячных температур, в особенности теплых месяцев. Однако зональные изменения увлажнения имеют иной, более сложный характер. Атмосферные осадки имеют два максимума — главный на экваторе и второй в умеренных широтах, и резкий минимум в тропиках, т.е. как там, где запасы солнечного тепла наибольшие10.
Чтобы судить о влагообеспеченности геосистем, необходимо сопоставить ее с величиной испаряемости. Испаряемость — это то количество влаги, которое могло бы испариться в данных условиях при допущении, что ее запасы неограниченны. Испаряемость характеризует как бы потребность геосистемы во влаге, ее предельное количество, которое может “работать” в природном комплексе. В общих чертах распределение испаряемости повторяет зональные кривые теплообеспеченности, с особенно резким максимумом в тропиках (до 4000—5000 мм в год) и минимумом в приполярных широтах (менее 100 мм в год). Отношение годовой суммы осадков к годовой испаряемости — так называемый коэффициент увлажнения Г. Н. Высоцкого — Н. Н. Иванова (К) — может служить наиболее объективным показателем атмосферного увлажнения. При К?1 увлажнение избыточное (наблюдается в высоких широтах — примерно к северу и к югу от 50-й параллели), а при К<1 — недостаточное (это имеет место в тропиках, где К практически приближается к нулю)11.
От соотношения тепла и увлажнения зависит интенсивность других физико-географических процессов и их зональная дифференциация. К наиболее удачным из интегральных количественных показателей относится показатель биологической эффективности климата ТК, предложенный в 1959 г. Н. Н. Ивановым. Он представляет собой произведение суммы активных температур Т (выраженных в сотнях градусов Цельсия) и коэффициента увлажнения К (причем предельной величиной К считается 1.0, так как увеличение избытка влаги сверх единицы не оказывает положительного влияния на биоту и на функционирование геосистем).
ТК изменяется от 0 в приполярных широтах до 100 в приэкваториальных. Многие другие частные показатели функционирования геосистем (гидрологические, биологические и др.) обнаруживают хорошее соответствие с величиной ТК. Синтетическим показателем, наиболее полно отражающим интенсивность функционирования геосистем, может служить биологическая продуктивность, меняющаяся от полюса к экватору также как и показатель биологической продуктивности климата12.
Универсальное значение закона зональности, установленного еще В. В. Докучаевым, наглядно проявляется в почвообразовании и органическом мире. Не случайно большинство природных (ландшафтных) зон именуется по характерным типам растительности (зоны широколиственных лесов, лесостепи, экваториальных лесов и др.).
Некоторые географы считают13, что закон зональности не распространяется на рельеф и геологическое строение. Но это не так. Все так называемые скульптурные формы рельефа (в отличие от структурных, связанных с тектоническими движениями) формируются под влиянием выветривания, деятельности льда, ветра, текучих вод. А эти процессы имеют определенно зональную природу. Потому наблюдаются четко выраженные зональные комплексы скульптурных форм рельефа (например, мерзлотные впадины и бугры, торфяные бугры в тундре, разнообразные эоловые формы, солончаковые впадины, предгорные шлейфы в пустыне и т. д.)14.
Осадочная толща земной коры формируется под воздействием климата, ледников, стока, почвообразования, жизнедеятельности организмов, и ей также присуща зональность, хотя она и прослеживается только при анализе геологической истории. Зональны донные илы в Мировом океане и континентальные отложения на суше (ледниковые и водно-ледниковые в полярных областях, торф в тайге, соли в пустыне и т. д.). Однако осадочные толщи накапливались в течение многих миллионов лет. За это время картина зональности многократно менялась в связи с переменами в положении оси вращения Земли и другими астрономическими причинами. Для каждой конкретной геологической эпохи можно восстановить присущую ей систему зон с соответствующей дифференциацией процессов осадконакопления. В строении современной осадочной оболочки мы, таким образом, наблюдаем результаты перекрытия множества разновременных зональных систем. Каждая из них оставила свои осадочные породы, которые, в сущности, представляют реликты былых зональных условий и процессов15.
Закон зональности имеет универсальное географическое значение, прямо или косвенно проявляющееся во всей эпигеосфере. Свое комплексное выражение он находит в формировании ландшафтных зон — крупнейших геосистем регионального уровня. Схематично зональная структура всей суши может быть представлена на рисунке 3 в виде зонального деления обобщенного континента. Такую форму имела бы суша земного шара, если ее собрать в единый массив путем суммирования площадей материков по всем параллелям.
На той же схеме (рис. 3) выделены ландшафтные секторы — также региональные геосистемы высокого ранга, но образующиеся в силу проявления иной универсальной географической закономерности — секторальности, связанной с взаимодействием суши и океанов. Континентально-океанический перенос воздушных масс как бы накладывается на зональную циркуляцию и сильно ее усложняет. Достаточно вспомнить о муссонах — мощных воздушных потоках, которые летом устремляются с относительно холодного океана на более прогретую сушу, а зимой — в противоположном направлении. По мере удале