Гелиогеофизические ритмы

Важным звеном в изучении функционирования географической оболочки является анализ ритмичности происходящих в ней процессов и их зависимость от внутренних и внешних факторов. Природные явления могут быть периодическими (одинаковые фазы повторяются через равные промежутки времени: смена дня и ночи, смена времен года и др.); циклическими, когда при постоянной средней продолжительности цикла промежуток времени между его одинаковыми фазами имеет переменную продолжительность (колебания климата, наступление и отступление ледников). Ритмичность установлена в атмосферных процессах (температура, осадки, атмосферное давление и др.), в развитии гидросферы (в колебаниях водности рек, уровней озер), в изменении ледовитости морей и развитии ледников на суше, в трансгрессиях (наступание моря на сушу) и регрессиях (отступание морей), в различных биологических процессах (развитие деревьев, размножение животных), в горообразовании. По продолжительности различают ритмы суточные, годовые, внутривековые (от нескольких лет до десятилетий), многовековые, сверхвековые (измеряемые тысячелетиями, десятками и сотнями тысячелетий), геологические, когда некоторые явления повторяются через миллионы лет.

Гелиогеофизические ритмы в географической оболочке связаны с изменениями солнечной активности; родоначальниками науки об изменении солнечной активности являются Г. Галилей, И. Фабрициус, X. Шейнер, Т. Гарриот, которые еще в начале XVII в. обнаружили на поверхности Солнца темные пятна. Существование косвенно действующей связи «солнцедеятельности» с природными процессами доказал отечественный ученый А.Л. Чижевский, которого считают основателем гелиобиологии. Он установил зависимость от активности Солнца таких явлений органического мира, как урожайность злаков, рост и болезни растений, размножение животных и улов рыбы, колебания содержания кальция в крови и изменения веса младенцев, частота несчастных случаев и вспышек инфекционных заболеваний, рождаемость и смертность.

К гелиогеофизическим ритмам обычно относят 11-летние, 22-23-летние, 80-90-летние. Они проявляются в колебаниях климата и ледовитости морей, интенсивности роста и смене фаз развития растительности (в частности, они фиксируются в годичных кольцах деревьев), изменениях активности вулканов.

Вызванные 11-летними периодами солнечной активности электрические и магнитные явления в атмосфере оказывают огромное влияние не только на климат, но и на все живое. Во время повышения солнечной активности усиливаются полярное сияние, циркуляция атмосферы, возрастают увлажнение, прирост фитомассы, активизируется деятельность микробов и вирусов; медики связывают с ними эпидемии гриппа, рост сердечно-сосудистых заболеваний. В настоящее время известно множество ритмов в человеческом организме, например работа сердца, дыхание, биоэлектрическая активность мозга. В теории так называемых биологических хронометров особое значение придается ритмам и периодам в 23 дня (физический ритм), 28 дней (эмоциональный ритм) и 33 дня (интеллектуальный ритм), которые отсчитываются со дня рождения. Вполне возможно, что эти периоды обусловлены космическими причинами.

Причиной ритмов

Причиной ритмов, имеющих астрономическую природу, могут быть изменения движения Земли по орбите и под влиянием других планет, например изменение наклона земной оси к плоскости орбиты. Эти возмущения влияют на интенсивность облучения Земли Солнцем и на климат. С ритмами такого рода (их продолжительность 21 тыс., 41 тыс., 90 тыс. и 370 тыс. лет) связывают многие события на Земле в четвертичном периоде (последние 1,8 млн лет), прежде всего развитие оледенений. Астрономическую природу имеют и самые короткие ритмы - суточный и годовой - и ритмы, обусловленные взаимным перемещением тел в системе Земля - Солнце -Луна. В результате перемещения Солнца и планет в системе возникают неравенство сил тяготения и изменение приливооб-разующих сил. Эту природу имеют ритмы увлажненности продолжительностью 1850-1900 лет. Каждый такой цикл начинается с прохладной влажной фазы, затем следует усиление оледенения, увеличение стока, повышение уровня озер, цикл завершается сухой теплой фазой, во время которой ледники отступают, реки и озера мелеют. Эти ритмы вызывают смещение природных зон на 2-3° по широте.

Давно известно, что Луна и Солнце вызывают приливы в водной, воздушной и твердой оболочках Земли. Ярче всего проявляются приливы в гидросфере, вызванные действием Луны. В течение лунных суток наблюдаются два подъема уровня Океана (приливы) и два опускания (отливы). В литосфере размах колебаний приливной волны на экваторе достигает 50 см, а на широте Москвы - 40 см. Атмосферные приливные явления оказывают существенное влияние на общую циркуляцию атмосферы. Солнце также вызывает все виды приливов, но приливообразующая сила Солнца составляет всего 0,46 приливообразующей силы Луны. В зависимости от взаимного положения Земли, Луны и Солнца приливы, вызванные одновременным действием Луны и Солнца, либо усиливают, либо ослабляют друг друга.

Геологические ритмы - самые продолжительные из известных. Природа их еще недостаточно изучена, но, по-видимому, она также связана с астрономическими факторами. Эти ритмы проявляются, прежде всего, в геологических процессах. Примером геологического ритма могут служить тектонические циклы, сопоставимые с так называемым галактическим годом - временем полного оборота Солнечной системы вокруг ее галактической оси. Выделяют четыре основных тектонических цикла: каледонский (первая половина палеозоя), герцинский (вторая половина палеозоя), мезозойский и альпийский. В начале каждого такого цикла происходили морские трансгрессии, климат был относительно однообразным; завершение цикла знаменовалось крупными горообразовательными движениями, расширением суши, усилением климатических контрастов, большими преобразованиями в органическом мире.

Изучение природных ритмов и их причин позволяет прогнозировать течение природных процессов. Особое значение имеют прогнозы явлений, вызывающих природные катастрофы (засухи, наводнения, землетрясения, лавины, обвалы). В общем случае знание функционирования географической оболочки дает возможность выявлять тенденции, существующие в природе, учитывать их при вмешательстве в ход природных процессов, предвидеть последствия различных преобразований природы.


Пространственно-временная дифференциация ландшафтной сферы

Зональность – универсальная географическая закономерность, проявляющаяся во всех ландшафтообразующих процессах и в размещении геосистем на земной поверхности. Однако, её нельзя рассматривать как некий простой отпечаток современного климата. Анализ явлений зональности требует генетического подхода. Зоны не возникают мгновенно, они имеют свой возраст и свою историю. Они существовали на Земле, очевидно, еще в архее, но современные зоны не имеют ничего общего с зонами архея или палеозоя. Современная зональная структура складывалась в основном в кайонозое. Наибольшей древностью отличается экваториальная зона, которая существовала на той же территории уже, во всяком случае, до начала неогена. С приближением к полюсам картина зональности становится все менее стабильной. Зоны умеренных и полярных широт претерпели сильные изменения на протяжении неогена и четвертичного периода. Основные направления их развития связываются с аридизацией и похолоданием.

Особенно существенные изменения системы ландшафтных зон происходили в связи с материковыми оледенениями. Как известно, процессы оледенения имеют колебательный характер: ледниковые эпохи сменяются межледниковыми. Наступание и отступание материковых льдов сопровождалось смещениями границ других зон, которые измерялись тысячами километров. Ритмические смещения зон в умеренных и высоких широтах продолжаются и в послеледниковое время.

Основной непосредственной причиной смещения зон служат макроклиматические изменения, которые, в свою очередь, связаны с астрономическими факторами (колебания солнечной активности, изменения положения оси вращения Земли и др.). Вслед за климатом должны перестраиваться и другие компоненты геосистем, но вследствие присущей каждому из них инерционности изменения компонентов происходят с разной скоростью. Л.С. Берг указывал, что растительность и почвы не поспевают за климатом. Поэтому на территории новой зоны будут сохраняться реликтовые почвы и растительные сообщества. Наибольшей инерцией отличаются самые консервативные компоненты ландшафта – рельеф и геологическое строение.

Принципы хроноорганизации природных явлений были сформулированы В.Н. Солнцевым (1981), которые он видит аналогично представлениям об их пространственной организации. Одна из главных идей здесь сводится к тому, что процессы разной длительности, подобно процессам разного пространственного масштаба, характеризуются качественным своеобразием, приводящим к возникновению в объектах, охваченных этими процессами, новых качеств. Однако, несмотря на известную аналогичность, временные построения не обладают такой же простотой и убедительностью, как пространственные.

Временная изменчивость процессов, идущих на земной поверхности в пределах географической оболочки, довольно хорошо известна. Найти в этой изменчивости черты упорядоченности, устойчивости, структуризованности – это основное содержание хроноорганизации географической реальности, которое и было сформулировано В.Н. Солнцевым (1981) в нескольких постулатах.

1. Хроноизменчивости географических явлений (процессов и объектов) свойственен колебательный характер. Это объясняется тем, что все географические объекты «можно рассматривать как области разнообразных динамических физико-химических равновесий, стремящихся достигнуть устойчивого состояния, непрерывно нарушаемого вхождением в них чуждых данному динамическому равновесию проявлений энергии» (Вернадский, 1934).

2. Хроноизменчивость географических явлений свойственно внутреннее разнообразие, выражающееся в очень пестром спектре наблюдаемых колебаний. Это объясняется тем, что географические объекты характеризуются огромным разнообразием агрегатных и фазовых состояний. В связи с этим выделяются:

- интервалы с периодом менее долей секунд, характерные для «глубинных» (атомных, молекулярных и т.п.) явлений;

- мелкомасштабные явления (периоды от долей секунд до десятков минут);

- мезомасштабные (периоды от часов до суток);

- синоптические (периоды от нескольких суток до месяцев);

- сезонные (внутригодовые периоды);

- междугодичные (периоды в несколько лет; внутривековые (периоды в десятки лет); - междувековые (периоды в сотни лет);

- сверхвековые (периоды в тысячи лет).

3. Хроноизменчивости всех географических процессов в целом свойственна квазипериодичность, т.е. отсутствие строгой периодичности. Это объясняется тем, что любые объекты обладают инерционностью, что приводит к «смазыванию» их начальной периодичности и отсутствию четкой границы между хроноинтервалами.

4. Среди источников хроноизменчивости географических явлений есть воздействия, носящие строго периодический характер. К ним относится инсоляция с двумя периодами колебаний (суточным и годовым), а также воздействие гравитационного поля земной поверхности, которое является постоянным в эти отрезки времени.

5. Внешние (по отношению к геооболочке) периодические инсоляционные и гравитационные воздействия играют роль фактора упорядочивания, согласования, синхронизации колебаний географических явлений. Тем самым они сильнейшим образом определяют всю хроноорганизацию географической реальности.


Периодический закон географической зональности

 

При движении от полюсов к экватору на материках, в особенности в Северном полушарии, некоторые общие свойства природы периодически повторяются: за безлесной тундрой следуют к югу лесные зоны умеренного пояса, за ними - степи и пустыни умеренного, субтропического, тропического поясов, далее - леса экваториального пояса. Эта закономерность была отражена в периодическом законе зональности, согласно которому основу дифференциации географической оболочки составляют:

1) количество поглощаемой солнечной энергии, возрастающее от полюсов к экватору и характеризуемое годовыми величинами радиационного баланса земной поверхности;

2) количество поступающей влаги, характеризующееся годовыми суммами осадков;

3) соотношение теплоты и влаги, точнее, отношение радиационного баланса к количеству теплоты, необходимому для испарения годовой суммы осадков, - радиационный индекс сухости.

Закон периодичности проявляется в том, что величины индекса сухости меняются в разных зонах от 0 до 4-5, трижды между полюсами и экватором они близки к единице - этим значениям соответствует наибольшая биологическая продуктивность ландшафтов.


Вертикальная (высотная) поясность

Следующий важный фактор ландшафтной дифференциации после зональных и секторных изменений теплообеспеченности и увлажнения – высота суши над уровнем моря. Под действием этого фактора ландшафтная сфера приобретает ярусное строение: различным высотным ярусам свойственны специфические классы ландшафтов. До определенного предела возрастание высоты не вызывает в ландшафтах исчезновения типичных признаков своей зоны. Выше этого предела в них начинают появляться черты, свойственные соседней, более северной зоне, и по мере дальнейшего нарастания высот происходит смена ландшафтных поясов

Высотная поясность (вертикальная зональность). Одна из главнейших закономерностей дифференциации наземных ландшафтов, проявляющаяся наиболее ярко в горах. Причиной ее является уменьшение теплового баланса и соответственно температуры с высотой. Но природа температурных изменений по высоте и широте существенно различается. Высота солнечной радиации с высотой не уменьшается, а увеличивается. Это обусловлено уменьшением мощности и плотности атмосферы и резким убыванием содержания водяного пара и пыли, а, следовательно, сокращением потерь радиации на поглощение и отражение в атмосфере. Однако, длинноволновое излучение земной поверхности растет с высотой еще быстрее, чем инсоляция. В результате радиационный баланс быстро уменьшается и температура воздуха падает. Вертикальный температурный градиент в сотни раз превышает широтный, так что на протяжении нескольких километров по вертикали можно наблюдать физико-географические изменения, равноценные перемещению с экватора в ледяную зону.

Условия увлажнения также существенно изменяются по мере поднятия в горы. Но эти изменения по своей направленности и интенсивности не совпадают с широтно-зональными. Влагосодержание воздуха с высотой сильно уменьшается. Выпадение осадков в горах обязано барьерному эффекту рельефа. Под влиянием горных барьеров происходит восходящее движение воздушных масс, усиливается конденсация влаги и количество осадков начинает возрастать, но лишь до известного предела: по мере истощения запасов влаги увеличение осадков сменяется уменьшением. Поэтому наветренные склоны даже сравнительно невысоких возвышенностей (например, Валдайской) получают за год на 150—200 мм больше осадков, чем прилегающие низменности. Если учесть, что одновременно происходи некоторое понижение температуры воздуха (примерно на 0.5°С на каждые 100 м высоты), то станут понятными многие существенные различия в природе рядом расположенных низин и возвышенностей. В лесостепной зоне, например, леса на возвышенностях распространяются значительно дальше к югу, чем на низменностях.

Высотная поясность проявляется в спектре высотных поясов (зон) от подножия к вершинам. Чем выше географическая широта местности (таежная, тундровая зоны), тем спектр высотных поясов короче (два-три высотных пояса); к экватору (зоны субтропических лесов, саванн, экваториальных лесов) спектр высотных поясов значительно шире (шесть-восемь).

 Проявление широтной зональности горных ландшафтов через

спектры их высотных поясов (по Л.К. Казакову, 2007)

а – в горах таежной зоны, б – в горах сухих субтропиков

Высотные пояса с большой натяжкой можно рассматривать как аналоги широтных зон. Некоторые высотные пояса (например, альпийские луга, высокогорные холодные пустыни Тибета и Восточного Памира) невозможно сопоставить с какими-либо широтными зонами. С другой стороны, многие зоны (средиземноморская, тропические пустыни и др.) не имеют своих “копий” в горах. Структура высотной поясности, т.е. весь “спектр” поясов, — не простое повторение системы широтных зон, она обнаруживает множество вариантов. Разнообразие высотных “спектров” зависит от принадлежности горного поднятия к той или иной зоне, к т ому или иному спектру, а также от орографических и других условий. Пояс альпийских лугов, например, присущ приокеаническим секторам, а в континентальных секторах его замещают горные тундры и гольцы. С приближением к экватору число поясов число поясов, как правило, увеличивается, а их высотные пределы смещаются вверх. На южных и подветренных склонах наблюдаются более аридные варианты поясности, чем на северных и наветренных. В этом сказывается влияние экспозиции. Так, в горах Южного Забайкалья часто северные склоны лежат в поясе горной тайги, в то время как южные заняты степями. Высотные пояса отличаются от широтных зон многими структурно-функциональными особенностями. Не говоря о разреженности воздуха и своеобразии циркуляции атмосферы, которая с высотой все меньше зависит от характера подстилающей поверхности и сезонных колебаний температуры и давления, можно отметить специфические геоморфологические процессы (коллювиальные, пролювиальные), укороченность профиля горных почв и т.д.

Высотно-поясной ряд не есть простое, как бы сжатое, зеркальное отражение системы широтных ландшафтных зон. Если бы такое соотношение существовало в природе, то во всех горных странах, лежащих к югу от тайги следовало бы ожидать появления на той или иной высоте горно-таежного пояса. В действительности этого не происходит. Разнообразие систем высотной поясности определяется положением горных поднятий в той или иной ландшафтной зоне и в определенном физико-географическом секторе, а кроме того орографическими особенностями горной системы.

Каждой ландшафтной зоне свойствен свой тип высотной поясности, т.е. свой поясной ряд, характеризуемый числом поясов, последовательностью их расположения, высотными границами. С приближением к экватору возможное число поясов увеличивается, структура поясного ряда меняется, вертикальные пределы одних и тех же поясов смещаются вверх.

Если проследить смену структур высотной поясности вдоль какой-либо одной зоны, то окажется, что зональный тип поясности представлен различными секторными вариантами, которые отличаются главным образом не числом поясов, а их характером. Так, в пределах всех горных ландшафтов, относящихся к таежному типу поясности, общая схема поясного ряда единообразна, но в каждом поясе обнаруживаются собственные секторные черты. Нижний, горнотаежный пояс на западе и востоке евразиатской тайги представлен темнохвойными лесами, а в восточной сибири – светлохвойными (лиственничными). В поясе редколесий и стлаников на западе растут угнетенные формы темнохвойных деревьев и березовые криволесья, в Восточной Сибири – лиственничные редколесья и кедровый стланик, а на Дальнем Востоке – каменноберезняки, сменяющиеся выше кедровником и ольховником. Верхний ярус повсеместно образован горными тундрами.