Оптимізація геосистем

Вступ.

1. Структури геосистем.

2. Механізми стабілізації та оптимізації стану геосистем.

Висновки.

Список використаної літератури.

Вступ

Під геосистемою розуміють природно-технічне утворення, що являє собою комплекс взаємодіючих об'єктів як природного, так і штучного походження. Вона виникає внаслідок зведення та використання інженерних споруд, комплексів і технічних засобів, які впливають на довкілля. До складу геосистеми входять підсистема природних об'єктів (геологічні утворення, ґрунти, рослинність, водні ресурси), що формує її природну основу, та підсистема штучних об'єктів (наземні й підземні будівлі, водосховища тощо).

Ці утворення зазвичай мають складну ієрархію, де компоненти різняться за своєю значущістю. У складі штучної підсистеми виокремлюють об'єкти, що визначають основне призначення геосистеми (наприклад, для гірничодобувної — шахта з усім господарством), допоміжні об'єкти (збагачувальні фабрики, енергопостачання, транспортні шляхи), а також об'єкти соціально-побутової сфери. Кожна з цих груп може бути деталізована до окремих елементів, як-от конкретна гірнича виробка.

У природній підсистемі, своєю чергою, виділяються природно-територіальні комплекси, урочища та окремі природні об'єкти (геологічні тіла, ґрунти, водойми, рослинні угруповання). Системоутворювальні властивості геосистеми виявляються через взаємодію цих підсистем, яка може мати руйнівний, збуджувальний, регулювальний або керувальний характер. Саме останні два типи взаємодій створюють передумови для оптимізації функціонування геосистеми.

1. Структури геосистем

Структури геосистем поділяються на два принципово відмінні типи: однорідні та додаткові (Арманд А., 1988). Для однорідних структур характерно те, що їхні елементи є однотипними та взаємозамінними. Прикладами таких систем можуть бути водозбірний басейн, що складається з подібних елементарних басейнів, монодомінантний ліс одного віку чи система поселень одного рангу. Натомість елементи додаткової структури не можуть замінити один одного, оскільки виконують різні функції та морфологічно відрізняються. Саме такі взаємини існують між літосферою, ґрунтом, рослинним і тваринним світом, атмосферою та ґрунтовими водами. На глобальному рівні додаткові структури представлені комплексами «океан-материк», «гори-рівнини» тощо.

Системи з різними типами структур мають суттєві відмінності у властивостях. У додаткових системах сила зв'язків між елементами зазвичай значно вища. Додавання або вилучення елементів з однорідної структури рідко суттєво впливає на функціонування решти системи, тоді як для додаткової системи така зміна може бути катастрофічною. Властивість емерджентності, тобто появи нових якостей, не притаманних окремим елементам, значно більше виражена в додаткових системах. Вони також краще проводять сигнали різної природи, тоді як однорідні системи здатні лише поширювати хвилі, що загасають від центра. Ці відмінності зумовлюють формування різних механізмів саморегулювання та різної стійкості до збурень, як зазначалося раніше.

Важливою характеристикою структури географічних систем є напрямок зв'язків: вертикальний або горизонтальний. Вертикальні потоки речовини, енергії та інформації рухаються вздовж гравітаційного градієнта (опади, інфільтрація вологи) або проти нього (підйом нагрітого повітря, капілярний рух розчинів). Горизонтальні потоки спрямовані вздовж земної поверхні, водних об'єктів або геологічних нашарувань. Цей поділ важливий, оскільки горизонтальні структури можна відобразити на картах і вивчати географічними методами, тоді як для вертикальних картографування малоефективне. У реальних системах зазвичай спостерігається поєднання обох типів взаємодій, тому можна говорити лише про їхнє переважання [3, c. 55-56].

Географічні системи, як і інші природні, формують багатоярусну ієрархію. Існують різні принципи її побудови: за просторовим включенням, за потоками речовини та енергії, за напрямком керуючих впливів. Проте всі вони дають структури, що не збігаються з традиційною для фізичної географії ієрархією (фації, урочища, ландшафти) (Арманд, Купріянова, 1976). Ототожнення територіальних і системних одиниць, започатковане В. Б. Сочавою (1978), не сприяє розумінню будови геосфери. Доцільніше оперувати поняттями «системи рівня фації», «рівня урочища» тощо. На одному рівні можна виявити як систему ядерної частини фації, так і системи перехідних зон (екотонів), що охоплюють суміжні ділянки сусідніх фацій (Люрі, 1989).

Розглянемо структурні особливості геосистем на різних рівнях ландшафтної ієрархії.

Центральна частина ландшафтної фації значною мірою має властивості однорідної системи, об'єднаної горизонтальними потоками. Її елементами можна вважати консорції — системи, центром яких є дерево, кущ або парцела трав'яних рослин, а навколо них групуються взаємодіючі обсяги ґрунту, атмосфери та пов'язані з центром організми (гриби, комахи, птахи). Взаємодії між консорціями відбуваються симетрично через конкуренцію за світло, кореневі системи, алелопатію, обмін насінням тощо. Симетрія цих взаємодій зумовлена однотипністю підсистем.

У приграничній смузі фації структура зв'язків змінюється. Межа з іншою фацією (наприклад, лісу з чагарником або болота з лугом) створює градієнт фізичних і біологічних властивостей: освітленості, зволоження, видового складу. Це породжує спрямовані потоки вітру, тепла, організмів, насіння (Люрі, 1989). Інтенсивність потоків і сила зв'язків, особливо горизонтальних, зростають. Контактна функція екотона доповнюється бар'єрною: він може зупиняти міграції тварин, відбивати або перенаправляти потоки.

Отже, на рівні фацій існують системи двох типів. Ядерні частини організовані за зразком однорідних систем із горизонтальними взаємодіями, тоді як крайові частини та перехідні смуги наближаються до додаткових горизонтальних систем. Обидва типи утворені з додаткових систем із переважанням вертикальних зв'язків — консорцій [6, c. 62-64].

Системи рівня урочищ зазвичай складаються з серій різних фацій, з'єднаних екотонами. Фації в межах урочища часто розташовані закономірно, змінюючи одна одну вздовж схилу річкової долини чи озерної улоговини. Некомпенсовані потоки води, змитого ґрунту, органічної речовини, спрямовані вниз по схилу, об'єднують фації в додаткові системи рангу урочища. Часто урочища виділяють у межах елементарних водозбірних басейнів. З цих відносно автономних одиниць формується система наступного рівня, що відповідає рангу ландшафту.

Елементарні осередки ландшафтної системи, що розвинулися в однакових геологічних і кліматичних умовах, подібні між собою й утворюють однорідну систему. Однак потоки речовини між водозборами, розділеними вододілами, слабкі, а за контрастного рельєфу — епізодичні. Якщо ландшафт розташований у межах одного водозбору, каналами зв'язку можуть бути водотоки. Проте їхній вплив на наземні частини фацій (ґрунти, рослинність) незначний, а зв'язок через водотоки потребує дуже тривалого часу, порівнянного з ерозійним перетворенням рельєфу.

Наступні рівні ієрархії (фізико-географічні провінції, країни, зони) недоцільно розглядати як системи, оскільки обов'язкові зв'язки між їхніми частинами відсутні або дуже слабкі. Регулярні потоки спостерігаються лише в перехідних смугах між контрастними зонами: сезонні міграції птахів і тварин, гірські бризи, винос алювію. Взаємодії значно посилюються на передглобальному рівні, у системі «материк-океан». Континентальні екотони поєднують сушу та океан численними потоками речовини й енергії. Залежно від агентів переносу (хвилі, птахи, річковий стік, атмосферні потоки) у прибережній зоні можна виділити ієрархію систем від рівня фації до субглобального рівня (наприклад, Атлантика-Євразія). Усі ці екотонні системи належать до додаткового типу, де важливу роль відіграють як горизонтальні, так і вертикальні потоки.

Для глобальних геосистем істотними стають властивості Землі як планети: кулястість, диференціація геосфер, обертання. Основною особливістю загальноземної структури є взаємодія оболонок: літосфери, гідросфери, атмосфери та біосфери. Кожна пара оболонок утворює додаткові вертикальні системи, об'єднані потоками сонячної енергії, газів, води, органічних і хімічних речовин. Також виділяється серія горизонтальних систем, що поєднують полярні, помірні, тропічні та екваторіальні пояси. Численні зворотні зв'язки підтримують стан глобальної системи у вузькому діапазоні, що відповідає оптимальним умовам існування життя [2, c. 75-77].

2. Механізми стабілізації та оптимізації стану геосистем

Існує шість основних механізмів, що забезпечують тривале перебування систем у відносно незмінному стані: інерція, обмеження обміну із середовищем, проточність, негативні, позитивні та конкурентні зворотні зв'язки.

Дію інерції наочно демонструє фізика: зі збільшенням маси тіла зменшується його реакція на одиночний імпульс і збільшується час реакції на тривалий вплив. Цей закон проявляється в процесах денудації, де час вирівнювання форм рельєфу залежить від їхнього розміру. Подібно реагують на впливи стояча водойма (на хімічний) та льодовик (на кліматичний): амплітуда відповіді залежить від маси води чи льоду.

Інерційність властива й живим системам. Якщо біомаса фітоценозу зосереджена в однорічних травах, співтовариство швидко реагує на зміни середовища; якщо ж у стовбурах дерев — воно більш інертне. У містобудуванні інерція виявляється у здатності міської інфраструктури зберігати свій план будови. Інерційністю володіють також комунікаційні мережі, галузева структура промисловості, причому вона прямо пропорційна сумі вкладених засобів.

Властивістю, подібною до інерції, володіють системи з резервною ємністю, що дозволяє поглинати чужорідні елементи без видимих наслідків. Наприклад, ґрунт може накопичувати забруднювачі, нейтралізуючи їх за рахунок необоротної витрати певних елементів. Так, при кислотних опадах сірка зв'язується кальцієм, що міститься в ґрунті (Глазовская, 1983).

У випадках, коли стійкість визначається інерцією, відбувається необоротна витрата «запасу» якості системи. Ефект прямо пропорційний добутку сили впливу на його тривалість і обернено пропорційний «запасу» маси чи ємності. Проте аналогія обмежена: при заповненні ємності властивості системи можуть змінитися стрибкоподібно, чого не спостерігається в механіці [5, c. 39-41].

Механізми обмеження обміну із середовищем широко поширені в природі. Це плівки поверхневого натягу, клітинні мембрани, шкірний покрив, хітиновий кістяк, луска, пір'я. Стабільність географічного середовища залежить від магнітного поля Землі, атмосфери, озонового екрану. Багато біоценозів існують у стабільних умовах під товщею води, у печерах, під шаром ґрунту. Поширений тимчасовий перехід у закритий стан: спори, насіння, анабіоз, сплячка. Системи можуть спонтанно переходити в закритіший стан у процесі розвитку: мертвий лід ізолюється товщею морени, на породах наростає кора вивітрювання.

Людство вдосконалило методи «закривання»: одяг, житла, виробничі будівлі. Середньовічні замки та сучасні проекти міст під куполом реалізують ту саму мету — обмежити вплив середовища.

Проте повна ізоляція неможлива, а для живих систем вона означала б припинення обміну речовин, без якого неможливе існування.

До пасивних механізмів належить також проточність. Проточні системи влаштовані за типом басейну з вхідною та вихідною трубами: чужорідні речовини можуть бути вимиті в процесі нормального функціонування. У каскадних системах (Chorley, Kennedy, 1971; Глазовська, 1983) проточними є всі ланки, крім останньої. Забруднювачі тимчасово затримуються в річках і проточних озерах, але накопичуються в безстічних улоговинах. Приклади проточних систем: атмосфера, океани, ґрунти гумідних територій, організми, виробничі ланцюжки. Слабкість механізму в тому, що він ефективний проти одиночних впливів, але не спрацьовує при постійному потоці забруднень [1, c. 79-81].

Активні стабілізатори включають програму, за якою система послаблює вплив збурення. Основну роль відіграє негативний зворотний зв'язок (Ешбі, 1959). Імпульс, пройшовши ланцюгом зворотного зв'язку, складається зі зворотним знаком із наступним імпульсом, відновлюючи початковий стан. Таким механізмом постачені метаболічні системи неживої природи: льодовики, безстічні озера, атмосферний CO₂ (Крапівін та ін., 1982), солі морської води (Лебедєв та ін., 1974).

Негативний зворотний зв'язок — основа гомеостазу живих організмів: підтримання водного балансу, складу крові, температури тіла. На рівні популяцій чисельність регулюється через епізоотії або зниження фертильності при перенаселенні. Механізми самоочищення води й ґрунту включаються при надлишковому накопиченні речовин, що стимулює розмноження бактерій, водоростей, грибів. Ринкова економіка базується на негативних зворотних зв'язках між попитом і виробництвом. Глобальна екологічна криза свідчить про дію негативного зворотного зв'язку в системі «суспільство-природа», що може загальмувати технічний прогрес.

Негативний зворотний зв'язок — універсальний механізм, але за певних умов (ритмічні впливи, затримка в каналі) він може перетворитися на свою протилежність і спричинити руйнування системи. У природі це рідкість, а в техніці — явище флатера літаків або обвалення мостів від резонансу.

Позитивний і конкурентний зворотні зв'язки (Арманд, 1988) зазвичай виводять системи з рівноваги. Системи з такими механізмами активно віддаляються від стану рівноваги, але, як відкриті системи, розвиваються лише за умови припливу речовини й енергії. Приплив ресурсів обмежений, що стабілізує систему на максимально можливому рівні. Так підтримується чисельність популяцій, продукція біоценозів. До граничної ємності біосфери наближається чисельність людської популяції, хоча «поріг» піднятий завдяки науці й техніці.

Конкурентний зворотний зв'язок виводить до стану максимального розвитку не єдиного претендента, а одну з кількох підсистем, що борються за перевагу. Природний вплив або свідоме керування можуть передати перевагу іншій підсистемі (іншому виду, іншій фірмі) і «перемкнути» систему з одного стійкого стану в інший, рівнозначний [4, c. 38-40].

Висновки

Залежно від характеру взаємодії та стадії формування, геосистеми є динамічними, нерівноважними або квазірівноважними системами з відкритими межами. Прикладом може слугувати Кансько-Ачинський паливно-енергетичний комплекс (КАПЕК), призначення якого — забезпечення енергією Півдня Сибіру через переробку вугілля. Характер впливу штучних об'єктів визначається як народногосподарським призначенням, так і властивостями геологічного середовища: будовою, складом, глибиною залягання, потужністю вугільних пластів, обводненістю, властивостями розкривних порід. Ці особливості зумовили відкритий спосіб видобутку, технологію переробки, методи рекультивації земель, технічні засоби та інфраструктуру. Впливи на довкілля проявляються у вилученні маси речовини (вугілля, підземні води), переміщенні речовини (розкривні породи, шлаки), розсіюванні речовин із газами та скиданні забруднених вод, розсіюванні тепла. Перетворення середовища виявляються у зміні властивостей геологічних тіл, рельєфу, біологічної продуктивності, водного та хімічного балансу, активізації екзогенних процесів (ерозії, суфозії, заболочування).

Список використаної літератури

1. Гуцуляк В. Ландшафтознавство: теорія і практика: Навч. посіб. / Чернівецький національний ун-т ім. Юрія Федьковича. — Чернівці : Рута, 2005. — 124с.

2. Зимов С. Азбука рисунков природы: науково-популярна література/ Сергей Зимов,; Отв. ред. В. И. Чупрынин; Рос. АН. - М.: Наука, 1993. - 120 с.

3. Міллер Г. Ландшафтознавство: теорія і практика / Львівський національний ун-т ім. Івана Франка. — Л. : Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2002. — 172с.

4. Моделирование геосистем: збірка. - М.: Мысль, 1986. - 213 с.

5. Оптимизация геосистем: [Сб. ст.]/ АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т географии; [Отв. ред. Е. Г. Нечаева, В. А. Снытко]. - Иркутск: ИГ, 1990. - 139 с.

6. Ретеюм,А. Земные миры: [О целостном изуч. геосистем] миры/ Алексей Ретеюм,. - М.: Мысль, 1988. - 266 с.

7. Романчук С. Історичне ландшафтознавство: Теоретико-методологічні засади та методика антропогенно-ландшафтних реконструкцій давнього природокористування / Київський ун-т ім. Тараса Шевченка. — К. : РВЦ "Київський ун-т", 1998. — 144с.