Геосистемы, их свойства и компоненты. Свойства  геосистем.

Геосистемы обладают как общими для  систем  всех видов, так и специфическими  свойствами, присущими только географическим системам. Важнейшим свойством геосистемы, отличающим ее от других систем является  территориальность. Это  свойство означает, что геосистемы выявляются на определенной территории и на их особенности  влияют площадь, конфигурация и другие территориальные характеристики.

Общие для всех систем свойства и понятия можно подразделить на  две группы: понятия, связанные с  внутренним строением систем  ( элемент, компонент, целостность,  структура, устойчивость, динамика,  развитие, генезис ) и понятия , определяющие ее функционирование.

Рассмотрим  основные понятия, характеризующие внутреннее строение  геосистемы.

Элемент геосистемы - отдельный материальный объект, изолированный, измеряемый, неделимый  рамках географических исследований.

Компонент геосистемы  - материальный объект, складывающий из многих изолированных элементов. Может быть охарактеризован в отношении размера, объема, содержания и может быть величиной разного порядка. Для геосистем компонентами являются почва, растительность, животный мир, воздушные массы, массы твердой земной коры, массы гидросферы. Но все эти компоненты - это также целостные сложные образования,  характеризующиеся определенной автономностью и структурной неоднородностью. Например, почва - компонент геосистемы и, в то же время, сложная природная система, состоящая из сочетания органических , неорганических и органо-минеральных  соединений.

Целостность геосистемы -  ее внутреннее единство, определенная независимость от окружающей среды. Это качество геосистемы возникает в результате взаимодействия и взаимообусловленности  ее компонентов. Целостность проявляется:

а) в относительной автономности и устойчивости геосистем к внешним воздействиям;

б) в наличии объективных границ;

в) в упорядоченности структуры;

 г) в большой тесноте внутренних связей по сравнению с внешними.

Целостность геосистемы требует при ее изучении не только характеристики отдельных элементов и компонентов, но и всех взаимосвязей в геосистеме. Целостность геосистемы определяет реакцию всех компонентов геосистемы при воздействии, в том числе и антропогенном, на любой ее компонент.

Под структурой геосистемы понимают  пространственно-временную организацию (упорядоченность или взаимное расположение) компонентов или отдельных структурных частей  (подсистем)  геосистемы. Структура может быть вертикальной или латеральной. В первом случае мы имеем ярусное расположение компонентов и вертикальные межкомпонентные способы соединения. Во втором - соседствование составляющих подсистем с горизонтальными межсистемными соединениями. Связи в обоих случаях осуществляются путем передачи вещества и энергии. Примером  вертикальных системообразующих потоков может быть кругооборот воды: выпадение осадков - фильтрация в почву и грунтовые  воды - поднятие водных растворов по капиллярам - испарение -  или всасывание водных растворов корнями - транспирация.

Проявлениями латеральных системообразующих потоков являются водный и твердый сток, стекание холодного воздуха по склонам в долинах, миграция элементов в виде растворов с водораздельных поверхностей в понижения.

     Упорядоченность в структуре геосистем проявляется не только в пространстве, но и во времени. Например, снежный покров или зеленая масса растений - это зимний  и летний временной аспект одной и той же  геосистемы  умеренной зоны. Таким образом, в понятие  структуры геосистемы включают набор ее состояний, меняющихся в пределах времени выявления геосистемы, Все пространственные и временные состояния геосистемы составляют ее инвариант.

       Инвариантом называют совокупность устойчивых отличительных черт системы, придающих ей качественную определенность и специфичность, позволяющих отличить данную систему от всех остальных.

     Структура геосистемы характеризуется устойчивостью по отношению к внешним воздействиям, т.е. способностью сохраняться при изменении внешних условий. Устойчивость геосистемы определяется наличием пластичности.  Это свойство выработано в процессе эволюционного развития и наиболее присуще растительности.  Растительные реликты встречаются на одних и тех же территориях десятки тысяч лет, несмотря на то, что физико-географические условия изменились. Например, на Русской равнине  в отдельных местах сохранились растения,  произраставшие еще в доледниковый период,  на Таймыре, среди тундры, сохранилась знаменитая лиственничная роща (Ары-Мас),  в Якутии - фрагменты луговых степей - свидетелей более теплых и более сухих условий.

     Устойчивости геосистем способствует способность к  саморегулированию - восстановлению исходного состояния геосистемы после прекращения внешнего воздействия.   Восстанавливаться геосистема  способна при условии, если внешнее воздействие не нарушило ее структуру и взаимосвязи между компонентами. В последнем случае говорят о деградации геосистемы. Саморегулирование геосистем возможно потому что геосистемы состоят из компонентов и (или) подсистем, связанных обратной связью.

     Под динамикой геосистемы понимают такие ее изменения, которые имеют обратимый характер и не приводят к перестройке ее структуры, т.е. изменения, которые происходят в пределах одного инварианта (восстановление   леса после вырубок, зарастание песчаных отмелей).

     Генезис геосистемы определяется происхождением ее структуры и взаимосвязей  между компонентами и подсистемами. Процесс формирования этих взаимосвязей очень длительный, например требуются тысячелетия, чтобы сформировались взаимосвязи между почвами и растительностью.

    Современная геосистема формируется на месте предшествующей в результате длительного этапа развития, который приводит к  коренной перестройке структуры и появлению новой геосистемы. Направление развития  определяется общей тенденцией эволюции. Эволюция может быть спонтанной (саморазвитие) или быть обусловлена внешними по отношению к данной геосистеме факторами. Примером саморазвития может быть превращение озера в болото в результате зарастания его водной растительностью.

     В целом саморазвитие геосистем происходит в рамках, ограниченных внешними условиями. Это значит, что при современном климате леса не займут территории степей. а степи не захватят территорию пустынь

     Изменениями внешних условий определяется происхождение ландшафтов Среднерусской возвышенности. В ледниковый период основная часть территории Среднерусской возвышенности не перекрывалась ледником и здесь сохранялись ландшафты «холодной лесостепи», представлявшие собой чередование открытых пространств и участков леса, состоявшего из лиственницы, сосны и березы. Впоследствии,  в связи с изменением климата изменилась и лесостепь - сформировался ландшафт, в пределах которого дубравы чередуются с луговыми степями.

         Выделяют несколько типов развития геосистем:

1 - равновесный режим, когда в геосистеме преобладают устойчивые связи, не испытывающие большой нагрузки и поддерживающие систему в относительно неизменном состоянии.

2 - периодический режим,  когда геосистема находится в колебательном (маятниковом) состоянии. Происходит периодическая   смена  состояний  геосистемы, но в пределах одного инварианта. При таком колебательном режиме максимальную нагрузку испытывают связи саморегуляции,  периодически возвращающие систему в исходное состояние.

3 - переходный режим, при котором геосистема переходит из одного  равновесного состояния в другое. Этот режим свидетельствует о постепенном изменении устойчивых взаимосвязей  (эффект скачка).

4 - тренд - направленное развитие. При таком развитии резко возрастает роль прямых связей, характерных для однонаправленного движения, что приводит к прогрессирующему накоплению тех или иных веществ, элементов. 

 Огромную роль в геосистемах играют многочисленные и многообразные  связи между компонентами, которые определяют ее целостность и устойчивость. Все существующие в геосистеме связи принято подразделять на прямые или обратные, положительные или отрицательные. Прямая связь предполагает только воздействие комопонента А на компонент В, обратная - еще и обратное воздействие компонента В на компонент А.  Таким образом, благодаря обратной связи,  приходящий извне импульс, проходя через систему,  приводит к цикличности воздействия.  При этом отрицательная обратная связь вызывает замкнутый контур изменений, ослабляет воздействие и создает динамическое равновесие, а положительная обратная связь усиливает эффект импульса, поступившего извне, выводя систему из равновесия.. 

   Среди многочисленных связей основными являются связи взаимодействия и развития.

   Связи взаимодействия  представлены в геосистемах связями между объектами: растительностью и животными, растительностью и почвами, климатом и водами и т.д. При антропогенном воздействии возникают новые связи, связи преобразования (промышленное предприятие - загрязнение воздуха, земледелие - загрязнение воды), когда в результате взаимодействия двух или нескольких объектов последние изменяются, переходя в новое состояние. Так, между фермой и ближайшим озером может сложится следующая взаимосвязь: вода озера используется для питья животных. а в водоем попадают стоки фермы. При отсутствии очистки вода  загрязняется и озеро переходит в состояние эвтрофированного водоема,  вода которого не пригодна. И при ее использовании начнется гибель животных.

       Связи развития определяются общей тенденцией эволюции,  которая     может быть спонтанной  или обусловленной  внешними по отношению к данной системе факторами.

   В геосистемах постоянно происходят многочисленные и разнообразные процессы перемещения, обмена и  трансформации энергии, вещества и информации, поступающих извне. Эти процессы объединяют общим понятием - функционирование геосистемы.  Функционирование слагается из трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического кругооборота, биологического метаболизма механического перемещения материала под действием силы тяжести и  осуществляется по законам механики, химии и биологии, т.е. любая геосистема - это сложная физико-химико - биологическая система.

   Функционирование геосистемы проявляется в цикличности протекания основных процессов, связанной с цикличностью поступления солнечной энергии - основного энергетического источника функционирования геосистемы. При этом каждый компонент геосистемы обладает определенной инертностью - отставанием ответных реакций на внешние изменения. Так, кривая годового хода температур сдвинута по сравнению с кривой годового хода суммарной радиации. ( в тайге северо-западной части Русской равнины наибольшие значения солнечной радиации наблюдаются в июне, наибольшая температура воздуха - в июле, наибольшая температура нижних горизонтов почвы -  в сентябре. В Приангарье, где под покровом пихтового леса теплообмен еще более затруднен, при наибольших значениях солнечной радиации наблюдаются наименьшие значения температур нижних горизонтов почвы).

   Годовая цикличность поступления солнечной радиации проявляется в некоторых геосистемах в определенных изменениях вертикальной структуры, когда летний и зимний варианты этой структуры сильно отличаются.

   Кроме годовой  существует суточная цикличность функционирования, связанная со сменой дня и ночи, которые сопровождаются колебаниями освещенности, температуры, влажности воздуха. Это приводит к пульсации вертикальных (конвекционных) и латеральных потоков и связанных с ними процессов ( горно- долинным ветрам, изменениям процессов фотосинтеза, суточному ходу процессов замерзания-протаивания и т.д.).

   На годичный цикл  накладываются многолетние циклы, имеющие разные причины. Наиболее отчетливо в особенностях функционирования геосистем прослеживаются колебания климата (потепление - похолодание,  аридизация - гумидизация). Так,  некоторое потепление климата начала ХХ веков привело к более раннему (на 8-12 суток) наступлению всех фенологических явлений в геосистемах Западной Европы и Русской равнины. Чередование более сухих и более влажных периодов привели в семиаридных районах (в частности в Забайкалье) при увлажнении к трансгрессии озер, активизации родников и мерзлотно-наледных условий, усилению роли мезофильного разнотравья в типичных пижмовых и вострецовых сообществах. Наоборот, в более сухие эпохи наблюдалось наступление более конкурентоспособных ковыльных сообществ.

      Изменения, происходящие в ландшафте, принято подразделять на обратимые и необратимые.

   Обратимые изменения - это сезонные смены аспектов, которые ничего нового не вносят в установившийся порядок вещей. Они не приводят к развивающемуся процессу, а создают лишь  сезонную ритмику функционирования ландшафта. 

   При необратимых изменениях  возврата к прежнему состоянию не происходит: изменения идут в одну сторону и в определенном направлении.

   Необратимые изменения ландшафтов следует рассматривать как их развитие. В результате необратимых изменений  в компонентах ландшафта, его структура претерпевает перестройку, возникает новая структура и новый ландшафт, содержащий в себе элементы прежнего.