Состояние, пространство и области состояний

Невозможно говорить об экологическом состоянии территории, не имея показателей ее состояния за некоторый период времени. Поэтому очень важно уяснить себе несколько понятий.

Первое – это состояние – это все свойства системы, которыми она владеет в определенный момент времени. Если на протяжении некоторого времени значения показателей не изменяются, то состояние системы не изменяется. Состояние может быть определено как стационарное (проявляется в форме спокойствия и равновесия) и нестационарное . Динамику геосистем в широком понимании можно определить как изменения во времени ее отдельных характеристик, состояний, набора и интенсивности процессов, территориальных структур, которая не приводит к формированию новой геосистемы.

Характерной особенностью геосистем является то, что разные ее характеристики изменяются с разной скоростью: влажность и температура верхних горизонтов почвы – на протяжении часа; видовой состав биоценозов – десятки лет, морфологи рельефа – сотен и тысяч лет. Для исследования таких разномасштабных явлений нужна их типология по продолжительности их протекания. О.Д. Арманд и В.О. Таргульян ввели понятие характерного времени – интервала, на протяжении которого определенное свойство или процесс проявляет свои основные особенности. Для периодических процессов характерное время отвечает продолжительности периода (времени одного колебания), для квазипериодических (цикличных) – средняя продолжительность периода, для непериодических (трендовых) процессов – время релаксации (время, необходимое для того, чтобы после возбуждения геосистемы значения ее характеристик вернулись к начальным). В связи с этим нужно разделять для исследования процессы, которые имеют разную продолжительность.

Была разработана концепция временных масштабов анализа геосистем по величине характерного времени:

- суточная (высокочастотная) динамику (продолжительность изменений характеристик системы меньше суток);

- сезонная (внутригодовая, среднечастотная) динамика (ХВ от суток до года);

- многолетняя (низкочастотная) динамика (ХВ больше года).

В основе каждого из этих масштабных уровней изменения геосистем лежат собственные ведущие факторы : вращение Земли вокруг своей оси, вокруг Солнца или комплекс факторов астрономической природы (циклы солнечной активности, внутрипланетарные и др.).

Графически эти изменения описываются фазовой диаграммой, на которой точки отвечают последовательным состояниям , соединенным линиями. Близость конечной и начальной точки свидетельствует о цикличность динамики, спиралевидная траектория о восстановлении (возврате после возмущения) и тренд может привести к разрушению системы и формированию ее нового типа эволюционные изменения).

Совокупность всех возможных состояний, в которых может находиться система, называется ее пространством состояний. По соответствию состояний геосистемы ее природной норме можно различать нормальные, критические, аномальные области состояний; по возможности выполнения геосистемой определенных социально-экономических функций – допустимые, предельно-допустимые, недопустимые; по устойчивости – устойчивые и неустойчивые.

Под функциональной динамикой понимается совокупность процессов трансформации, перемещения вещества и энергии в ее вертикальной структуре. В результате этого система осуществляет ряд функций – продуцирует органическое вещество, обеспечивает влагообмен, газообмен, кругововрот веществ … Анализ динамических процессов возможен в двух аспектах:

1. устанавливает временные закономерности протекания процесса;

2. выявляет его механизм.

Временные закономерности динамики. При анализе временных закономерностей протекания процесса определяется его определенная характеристика и за некоторый временной интервал фиксируется его значение.

Например,

- при анализе биопродуктивного процесса измеряется живая фитомасса на протяжении года;

- при исследовании процесса галоморфизации – запас солей в почве за несколько лет.

Таким образом необходимо установить:

- наличие тренда;

- ритмичность;

- цикличность;

- периодичность процесса;

- его частоту;

- продолжительность периода;

- величину амплитуды.

При анализе нескольких процессов или нескольких характеристик одного необходимо выявлять их коррелированность во времени, наличие эффектов инерционности, синхронности.

Периодическимявляется процесс, при котором одинаковые характеристики повторяются через одинаковые промежутки времени, которые называются периодом. В ландшафтах большинство процессов квазипериодические, для них характерна повторяемость одинаковых значений не через строго один интервал времени (год), а через более-менее одинаковые его промежутки. (изменения температуры поверхностных горизонтов почвы (период – одни сутки), ход среднесуточных температур воздуха (период – один год).

Цикличность процесса состоит в повторении одинаковых значений характеристики через некоторый часовой интервал (жизненные циклы растений. Животных, циклы эрозии).

Ритмичность состоит в повторении системой состояний, близких, но не идентичных начальному, через некоторые, не обязательно близкие, промежутки времени. (динамика популяций, связанных отношением хищник-жертва, некоторые экзогенные рельефообразующие процессы, накопление мягких отложений и т.д.)

Тренд процесса состоит в том, что в целом в направленном изменении характеристики в сторону увеличении (роста) или уменьшения (снижения). Наличие тренда может свидетельствовать об эволюционности изменений.

Часто основная временная закономерность процесса затушевана наложенными на нее короткопериодическими или флуктуационными изменениями. Для выявления тренда или длинночастотную квазипериодичность процесса, необходимо выполнять математическую обработку динамических рядов (использовать методы сглаживания или их фильтрации).

Процессы периодического типа не приводят к существенным изменениям в системе, обеспечивают ее устойчивость. Переходные процессы, для которых характерна фаза затухания, свидетельствуют о переходе из одного состояния в другое , или о восстановлении после возбуждения (процесс дегумификации : сразу после распашки целины ежегодные потери гумуса вследствие минерализации составляют значительную величину, а через некоторое время (30-40 лет) уменьшается и содержание гумуса стабилизируется , но на нижнем уровне).

При анализе взаимосвязей нескольких процессов часто выявляется эффект инерционности – задержка реакции одного из процессов на действие другого (поверхностный сток возникает не сразу после дождя, а через некоторое время; максимум солнечной энергии в июне, а максимальные температуры воздуха в июле-августе.

Суточная и сезонная динамика обусловлена вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Многолетняя динамика в отличие от суточной и сезонной осуществляется под влиянием не одного какого-то фактора, а обусловлена комплексом факторов разной природы (тектонические движения, климатические циклы, колебания уровня грунтовых вод, вековые изменения древостоя, изменения положения базиса эрозии).

Важным отличием является то, что могут изменяться как отдельные состояния системы (ландшафтная флуктуация), так и последовательные и циклические измененеия разных видов геосистем то есть смена одних ландшафтов другими (ландшафтная сукцессия). Такие изменения еще не являються эволюционными так как имеют обратимый характер. Ландшафтная сукцессия является промежуточной между динамической и эволюционной формами временних изменений геосиситем.

В отличие от сукцессии (продолжительная последовательность изменений состояний, ориентированная на достижение некоторого оптимального для данных условий состояния) флуктуация проявляется в изменении растительности ландшафта, частично в почвах. Их причинами являются различия гидрометеорологических условий отдельных лет.

Зная закономерности сукцессионного ряда можно прогнозировать направление изменений в ландшафте.

Общими закономерностями ландшафтной эволюции являются ее универсальные черты:

прогрессивность – изменения направленные на формирование новых геосистем, а не на повторение тех., которые уже были. (процесс не связан с усовершенствованием);

необратимость – геосистемы, которые существовали раньше, в ходе эволюции повторяться не могут;

постепенность – изменения характеризуются этапностью, каждый из которых может иметь остаточно большую продолжительность (до 500-600 лет);

большая продолжительность – изменения происходят очень медленно;

наследственность – каждое новое состояние эволюции геосистемы неразрывно связано с предыдущим.

Отдельно для ландшафтных территориальнх структур изменения могут проявляться в изменении границ (в результате этого изменяется разнообразие и сложность ЛТС. Факторами динамики ЛТС являются:

- современные тектонические движения;

- изменения увлажненности региона (климатические факторы и мелиорация);

- фактор «борьбы за пространство» (самоорганизяция приводит к «захвату» неустойчивых территорий;

- использование территории ландшафтов.

Эволюционные изменения, связаны с развитием и фуркацией. К фуркационным изменениям в отличие от эволюционных можно отнести те, которые имеют непредсказуемый и неоднозначный характер (часто связывают с катастрофическими явлениями и событиями). В зависимости от количества возможных сценариев определяют как бифуркационные или полифуркационные. Примером может быть переход в другое агрегатное сосотояние (состояние плазмы). Склон может в результате эрозии существовать как: 1. овраг и 2. как склон с бороздой. Как только сценарий определен развитие продолжается по 1 или2. до следующей точки фуркации.

В антропогенных ландшафтах приближение к этой точке происходит под воздействием не только природных, но и антропогенных факторов и со временем может совпадать с катастрофическими. Социальные, экономические, экологические фуркационные точки.

Поиск по сайту: