Любые формы материи могут существовать только в движении. Ландшафтам как материальным объектам свойственно изменение во времени и пространстве. Природная геосистема – система динамическая, поскольку только так она способна существовать, адаптируясь к изменяющимся условиям внешней среды.
До настоящего времени еще не сложилось единого представления о динамике ландшафта, хотя этот термин прочно вошел в географическую науку (от греч. Dynamis – сила). Существует три основных понимания этого термина: 1) любые изменения свойств ландшафта (функционирование и эволюция); 2) изменения ландшафта, не сопровождающиеся сменой его структуры, т.е. происходящие в рамках одного инварианта (А.Г. Исаченко, В.Б. Сочава); 3) процесс, направленный на формирование пространственно-временной организации ландшафта (В.А. Николаев, И.И. Мамай и др,).
Крупным достижением изучения функционально-динамических аспектов ландшафтоведения являются работы ученых МГУ (Дьяконов, Мамай, Авессаломова, 2004).
Динамика ландшафта физиономично проявляется во времени и пространстве в изменении форм и элементов рельефа, в переслаиваниях осадочных пород, сменах растительных сообществ, изменениях структуры и свойств почв. Следовательно, динамика ландшафта в целом выражена через динамику его компонентов. Динамика растительного покрова фиксируется приростом и превращением фитомассы, в ее основе – круговорот вещества и энергии. В динамике литогенной основы различаются процессы почвообразования, выветривания пород и перемещение обломочного материала вниз по склону. В динамике почвообразования основная роль принадлежит круговоротам вещества, а в динамике рельефообразующих процессов – его потокам (твердый и жидкий сток). Динамика водных потоков наблюдается по изменениям расхода стока, динамика воздушных масс – в конвективных потоках и горизонтальных перемещениях.
Общей закономерностью этих процессов является их ритмичность и цикличность во времени (Макунина, 1987).
Закон ритма есть свойство материального мира («ритм» с греческого означает «размерность», «стройность»).
Ритмика природной геосистемы – это повторение в определенной последовательности различных состояний геосистемы, отличающихся спецификой структуры и функционирования. Ритмика – это состояние обратимых изменений геосистем.
Следует различать понятия «ритм» и «цикл».
Ритм – строгая последовательность явлений, имеющая примерно одинаковую продолжительность, наступление одинаковых явлений в близкие сроки.
Цикл означает совокупность процессов или явлений, образующих замкнутый круг, Это изменение системы, в результате которых она приходит в такое состояние, в котором была в начале цикла. Примеры – суточный или годовой циклы, внутри которых проявляются ритмы (Мамай, 2005).
Состояния природных геосистем. Природные ритмы и циклы.
Исходным понятием при изучении ритмической динамики геосистем служит представление об их состояниях.
Согласно определению И.И. Мамай (2005), «Состояние ПТК – это более или менее длительные отрезки времени его существования, характеризующиеся определенными свойствами его структуры (определенным качеством его частей и набором процессов, зависящих от внешних и внутренних причин)».
Причины смены состояний бывают внутренними и внешними.
Внутренние причины – это несходство природных компонентов и морфологических частей ПТК. Оно вызывает образование потоков вещества и энергии, что и приводит к сменам состояния. Примеры смены состояния под влиянием внутренних причин: иссушение почвы и завядание растений за счет потери влаги путем транспирации; обеднение видового состава степных растительных группировок в результате вытеснения разнотравья дерновинными злаками и др.
Внешние причины смены состояний ПТК могут быть как естественными, так и антропогенными. ПТК – открытые системы, в которые свободно проникают потоки вещества и энергии. Воздействующие внешние факторы имеют свою ритмику: поступление солнечной радиации имеет суточную и сезонную изменчивость, поступление осадков, хотя и не имеет четко выраженной динамики, однако связано с общей циркуляцией атмосферы; выделяются смены состояний ПТК, связанные с изменением погоды (кратковременные), с тектоническими процессами (длительновременные или, наоборот, катастрофические).
По длительности состояния ПТК делятся на внутригодовые, годовые, многолетние.
Среди внутригодовых состояний различают внутрисуточные, суточные, погодные (циркуляционные), внутрисезонные и сезонные. Все эти состояния характеризуются обратимыми процессами (прогревание, охлаждение, промачивание, разложение подстилки), в то время как свойства компонентов и морфологических частей могут изменяться как обратимо (промерзание, оттаивание, иссушение, оглеение почв и т.д.), так и необратимо (почвенный смыв, намыв и т.д.).
Внутригодовые состояния ПТК определяются особенностями поступления в них вещества и энергии и могут быть связаны с движением Земли вокруг своей оси (смена дня и ночи), общей циркуляцией атмосферы (смена режима погод), движением Земли вокруг Солнца (сезонные изменения). Годовые состояния складываются из всех внутригодовых состояний (обратимые и необратимые).
Многолетние состояния возникают вследствие направленности развития и характеризуются необратимыми изменениями природных компонентов и морфологических частей (перемещение твердого вещества, сукцессии растительности, смены почв) при обратимости процессов.
Продолжительность состояний может в той или иной мере отклоняться или быть строго фиксированной во времени (суточное и годичное состояния – их продолжительность определяется особенностями движения Земли как планеты вокруг своей оси и вокруг Солнца).
Один из важнейших природных процессов внутри суток – смена дня и ночи, что определяет ритмичность поступления солнечной энергии в ПТК. В зависимости от того, получает природный комплекс солнечное тепло или, наоборот, теряет, выделяются дневное, вечернее, ночное, утреннее его состояния, С этими состояниями связаны такие природные процессы как образование росы, тумана, изменений в испарении и транспирации, изменения в атмосферной циркуляции (бризы). Длительность этих состояний меняется в зависимости от широты места и времени года (за исключением экваториальных широт). Выделяют еще аэросостояния, зависящие от изменения облачности, продолжительность которых колеблется от нескольких минут до нескольких часов. С ними связаны пасмурные и солнечные состояния (влияют на температуру и влажность воздуха, на интенсивность фотосинтеза и т.д.).
Помимо аэросостояний в течение суток могут проявляться метеосостояния, зависящие от метеоусловий и связанные с изменением погоды – снег, дождь, мороз и др. Их отличие состоит в том, что продолжительность явлений не имеет четкой приуроченности к продолжительности суток, и очень сильно колеблется (от нескольких минут до нескольких суток). Таким образом, метеосостояния могут быть кратковременными и средневременными.
Суточное состояние ПТК имеет строго фиксированную продолжительность – 24 часа. Суточные состояния структуры и функционирования ПТК, связанные с сезонной ритмикой, погодными условиями и динамической тенденцией развития применительно к фации называются стексами (термин принадлежит Н.Л. Беручашвили).
Внутрисезонные состояния связаны с внутригодовым циклом функционирования ПТК Например, для фаций выделяют такие фазы состояний как ранневесенняя (смена отрицательных температур воздуха положительными, снеготаяние, предвегетационные процессы в растительности, прилет первых птиц и др), поздневесенняя (окончание заморозков и оттаивание почвы, активность флювиальных и гидротермических процессов рельефообразования, промачивание почвы, формирование вегетативной части растений, активизация почвенных животных и т.д.). Кроме указанных фаз, выделяются летняя, позднелетняя, осенняя, предзимняя, зимняя фазы состояний.
Эти фазы состояний являются составными частями более длительных отрезков года – сезонов. Смена сезонов вызывает изменения процессов функционирования ПТК. Установить все многообразие сезонных изменений в пределах природных комплексов помогают фенологические наблюдения биологов, собственно ландшафтных исследований, направленных на изучение сезонной динамики, пока еще недостаточно (Макунина, Рязанов, 1988).
Пример сезонных динамических изменений внутри ПТК, расположенного в умеренном поясе:
Зимой наиболее низкие температуры воздуха, устанавливается снежный покров, происходит промерзание почвы и горных пород, отсутствует поверхностный сток, характерны отсутствие фотосинтеза и активных процессов разложения, отсутствие активного образа жизни у животных, находящихся в спячке, уменьшение видового разнообразия птиц и т.д. Связи в ландшафтной катене почти отсутствуют.
Весной температура воздуха становится положительной, происходит интенсивное снеготаяние, усиливаются поверхностный сток и эрозионные процессы, начинает вегетировать растительность, усиливается активность животных, отмечается прилет птиц. Восстанавливаются связи в ландшафтной катене.
Летом наиболее высокая среднемесячная температура воздуха, наиболее активно осуществляется фотосинтез и биогеохимический круговорот в целом (разложение мортмассы, гумификация, минерализация и др.), у большинства растений – цветение и плодоношение, у животных - процессы размножения и выхаживания потомства. Наиболее активны связи в ландшафтной катене.
Осенью понижается температура воздуха, происходит перестройка циркуляционных процессов, снижается активность фотосинтеза, происходит пожелтение и опад листьев на деревьях и кустарниках, снижается активность животных, перелетные птицы отлетают в более низкие широты и т.д. Связи в ландшафтной катене ослабевают.
Четко фиксированным во времени состоянием природных комплексов является годичный цикл, который определяется планетарными причинами и связан с обращением Земли вокруг Солнца. Годичный цикл – это рубеж, отделяющий средневременные состояния от длительновременных. Следует отметить, что рубеж, отделяющий один год от другого, связан не с изменение природных процессов (конец года – в ночь на 1 января), а связан с практической деятельностью человека. Хотя исследователи выделяют сухие и влажные, теплые и холодные и т.п. годы.
Многолетние циклы связаны с длительновременными состояниями ПТК. Это могут быть климатические циклы с колебаниями температурного режима и увлажнения (11-летние, 30-45-летние, 90-летние, 400-летние, 1800-1900-летние, 4500-летние и др.). Климатические циклы вызывают изменения в ходе элементарных процессов функционирования. Природа 11-летних климатических циклов более-менее известна. Они связаны с изменением солнечной активности. Повышение солнечной постоянной даже на 1% уже сопровождается изменениями в климате (эти повышения в истории Земли были и более существенными, например, в палеогене, голоцене четвертичного периода и другие эпохи). Известным исследователем изменения солнечной активности был А.В. Шнитников, на весь мир известны работы А.Л. Чижевского, связанные с изучением реакции живых организмов на повышение солнечной активности. Он известен как основоположник космической биологии (гелиобиологии). Выделяются ритмы продолжительностью в 200-250 млн. лет (тектонические) и др. Природа и причины многолетних (и сверхмноголетних) циклов еще мало изучены, и характер их воздействия на ПТК также не вполне ясен.
Проявление динамики в ПТК.
Проявление форм динамики зависит от морфологической структуры ландшафта, что хорошо видно на примере сезонной динамики. Например, в ландшафте с морфологической структурой, включающей повышения и понижения рельефа, лесные и луговые участки и т.д., сезонные смены в морфологических единицах наступают в разные сроки. В лесу накапливается снега в 1,5-2 раза больше, чем на открытом участке, в оврагах – в 4 раза больше, чем на водоразделах, на склонах южной экспозиции наблюдается радиационное подтаивание. Особенности литологического состава и рельефа влияют на глубину промерзания почв – на песчаных грунтах промерзание глубже, чем на глинистых, на склонах северной экспозиции - глубже, чем на склонах южной экспозиции. Раньше всего снеготаяние начинается на возвышенных элементах рельефа (на вершинах холмов, на повышениях водоразделов), позднее всего – в углублениях рельефа (овраги, балки, западины). На склонах уже ранней весной появляются первоцветы, раньше начинается вегетация растений и т.д.
Таким образом, внутриландшафтные морфологические различия сдвигают наступление сезонных состояний ПТК во времени, что сказывается и на общем состоянии ПТК. Например, в слабодренированных ландшафтах смена сезонных состояний запаздывает.
В связи с ритмическими явлениями в динамическом состоянии геосистем в ландшафтоведении введено понятие о динамическом характерном времени.
Динамическое характерное время – это время, необходимое геосистеме для прохождения определенной серии переменных состояний с возвратом к исходному состоянию, то есть время полного колебания.
Иными словами, динамическое характерное время – это время, необходимое для полного динамического цикла природной геосистемы.
Примечание: следует различать характерное время необратимой эволюционной изменчивости геосистем и характерное время динамических обратимых изменений.
В то же время ритмичность не означает простого повторения одних и тех же явлений. Каждый цикл не является замкнутым. После него в ландшафте неизбежно остаются те или иные необратимые изменения, которые из года в год накапливаются. Например, выносится определенное количество вещества, усиливается эрозионное расчленение, возрастает мощность торфа в болотах, увеличивается накопление наилка в пойме реки и т.д. Таким образом, каждый последующий цикл (суточный, сезонный, годичный и др.) начинается на несколько изменившейся основе. Отсюда следует, что ритмичность является неотъемлемой частью поступательного развития ландшафта.
Динамические колебательные движения как бы нанизаны на общий эволюционный (необратимый) ход развития геосистем. Например, ежегодное накопление аллювия в пойме реки в конечном итоге приводит к поднятию уровня поймы и образованию аккумулятивной речной террасы. Молодое лесонасаждение в результате ежегодного фотосинтеза увеличивает накопление фитомассы и превращается в зрелое насаждение. За счет ежегодного снеготаяния развиваются эрозионные процессы, увеличивается количество выносимого материала, увеличивается площадь оврагов, что зримо проявляется в дендрическом рисунке ландшафта.
Таким образом, можно дополнить определение динамики.
Динамика природной геосистемы – это совокупность современных обратимых (ритмичных) и необратимых (направленных) изменений в ее структуре и функционировании.