Основні закономірності функціональної динаміки.

Як уже було сказано, під функціональною динамікою геосис­теми розуміється сукупність процесів трансформації, переміщен­ня речовин та енергії в її вертикальній структурі. В результаті цього геосистема здійснює ряд функцій — продукує органічну речовину, забезпечує вологообіг, газообмін, круговорот речовин тощо. Аналіз динамічних процесів геосистеми можливий у двох основних аспектах. Перший має на меті встановити часові зако­номірності протікання процесу, другий — виявити його механізм, внутрішню структуру.

Часові закономірності процесів. При аналізі часових законо­мірностей протікання процесу визначається його певна характе­ристика (змінна) і за деякий часовий інтервал фіксуються її значення. Наприклад, при аналізі біоінтродуційного процесу гео­системи вимірюється жива фітомаса протягом року, при дослід­женні процесу галоморфізації геосистеми — запас солей у грунті за кілька років тощо. Основними часовими закономірностями процесу, які необхідно встановити, є: наявність тренду, ритміч­ності, циклічності, періодичності процесу, його частота, тривалість періоду, величина амплітуди та деякі інші характеристики. При аналізі кількох процесів або різних характеристик одного процесу необхідно виявити їх корельованість у часі, наявність ефектів інерційності, синхронності.

Періодичним є процес, при якому однакові значення його ха­рактеристики повторюються через однакові проміжки часу, які називаються періодом. У геосистемах більшість процесів квазіперіодичні, для яких характерна повторюваність однакових зна­чень характеристики не через строго один інтервал часу (напри­клад, рік), а через більш-менш однакові його проміжки. Квазіперіодичними процесами в геосистемах є зміна температури поверхневих горизонтів грунту (період - одна доба), хід середньо­добових температур повітря (період- один рік).

Циклічність процесу полягає в повторенні однакових значень характеристики через будь-який часовий інтервал (в геосистемах життєві цикли рослин, тварин, цикли ерозії В.Девіса тощо).

Ритмічність полягає в повторенні системою станів, близьких, але не ідентичних початковому, через деякі, не обов'язково близь­кі, проміжки часу. Ритмічною є динаміка чисельності популяцій, зв'язаних відношенням хижак — жертва, деякі екзогенні рельєфоутворюючі процеси та нагромадження пухких відкладів мають риси ритмічності.Тренд процесу полягає у в цілому спрямованій зміні характе­ристики у бік зростання або зменшення її значень з часом. Наяв­ність тренду може свідчити про еволюційність змін геосистеми.

Часто основна часова закономірність процесу затушована на­кладеними на неї короткоперіодичними або флуктуаційними змі­нами. Щоб виявити тренд або довгочастотну квазіперіодичність процесу, необхідно виконати математичну обробку динамічних рядів. Методами згладжування рядів або їх фільтрації можна позбавитись малосуттевих особливостей динаміки процесу та вия­вити основну домінуючу його тенденцію. За цією тенденцією ди­намічні процеси умовно поділяють на три групи — періодичного, перехідного та деструктивного (еволюційного) типів.

При аналізі взаємозв'язків кількох процесів часто виявляєть­ся ефект інерційності — затримка реакції одного з процесів на дію іншого. Так, поверхневий стік виникає не одразу після дощу, а через деякий час. Максимум сонячної радіації спостерігається в червні, а найвищі температури повітря запізнюються відносно нього на кілька десятків днів, а глибоких шарів грунту — на кілька місяців. При цьому коливання затухають і амплітуда їх зменшується. Взаємодія певних елементарних ландшафтно-екологічних про­цесів у відповідних умовах зумовлює деякий складніший процес, який, у свою чергу, може взаємодіяти з іншим і зумовлювати процес ще більшої складності. Виходячи з цього, структуру інте­грального ландшафтно-екологічного процесу можна представити у вигляді дерева, елементами якого є простіші процеси та їх умови, а вершиною («коренем дерева») — кінцевий інтеграль­ний процес.

Ефективним методом аналізу таких структур є метод «дерев подій» (англ. — fault-tree method), розроблений X. А. Уотсоном для оцінки надійності системи запуску ракет «Minitment». Його інтерпретація до аналізу функціональної дина­міки геосистем зводиться до побудови «дерева процесів»(наприклад, засолення грунту відбувається за умови, коли капілярна кайма ґрунтових вод піднімається до ґрунтового профілю, і ці води мінералізовані, аба розпорошення агрегатного стану грунту може бути зумовлене або заміщенням кальцію натрієм у грунтовому поглинаючому комплексі, або зменшенням вмісту гумусу, або крапельною ерозією). За такими схемами оцінюють ймовірність виникнення процесу, визначають найважливіші, вузлові елементарні процеси та умови, з яких випливає інтегральний процес, оцінюють стій­кість геосистем, виявляють найбільш ефективні шляхи регуляції процесу або методи його недопущення.

 

Добова та сезонна динаміка.

Добова динаміка. Визначальним фактором добової динаміки геосистеми є обертання Землі на своїй осі. В результаті цього квазіперіодично змінюються значення метеорологічних показни­ків, з якими зв'язані такі важливі процеси, як вологообіг та ін. Цей зв'язок зумовлює добову періодичність проце­сів випаровування, транспірації, поглинання рослинами поживних елементів, фотосинтезу (вночі він взагалі не протікає, тому що ФАР надходить до геосистеми тільки в світлу частину доби) та ін. Добова періодичність виявляється у поведінці тварин, актив­ності мікроорганізмів. Від часу дня-залежить також інтенсивність деяких екзогенних рельєфоутворюючих процесів (зокрема, вітро­вої ерозії), ґрунтових (так, І. М. Гоголєв установив, що різке підвищення кислотності чорноземів при їх зрошенні, так званий «лужний удар», зумовлене поливами в світлу частину дня, коли за високої температури грунту при його зволоженні різко підви­щується активність іонів Na, а при поливах увечері цей процес не виникає).

Крім добового обертання Землі, внутрішньодобову динаміку визначають і деякі інші зовнішні фактори, зокрема зумовлені станом диску Сонця при змінній хмарності. Стани геосистем, ви­кликані цим фактором, мають тривалість у кілька хвилин і від­різняються лише параметрами, зв'язаними з трансформацією со­нячної енергії,— температурою повітря і поверхні грунту, віднос­ної вологості повітря, пружності водяної пари. Зміни цих пара­метрів протягом кількох хвилин можуть бути досить суттєвими (за даними Марткопського стаціонару, поблизу Тбілісі їх відхи­лення від середніх значень сягає 50 %). Не зважаючи на це, мала тривалість таких станів та незначне число характеристик, які при них змінюються, обмежують практичне значення їх дослідження.

Сезонна динаміка. Обертання Землі навколо Сонця зумовлює сезонну ритміку багатьох процесів та характеристик геосистеми. Оскільки кожному процесу властиве деяке відставання реакцій на зовнішні впливи, сезонні зміни різних процесів та геокомпонентів геосистем асинхронні. Це ускладнює періодизацію річного циклу геосистеми. В рамках фенології та ландшафтознавства було запропоновано досить багато варіантів поділу року на сезони, фази, періоди. Так, В. О. Фріщ (1974) розрізняє літній і зимовий варіанти ландшафтної структури, а в кожному з них по чотири етапи— формування, консолідації, куль­мінації та деградації. А. А. Краукліс (1985) для геосистем пів­денної тайги виділяє 12 фаз річного циклу, А. Г. Ісаченко (1991) для району Санкт-Петербурга—14 фаз. Крім впутрішньорічних фаз, зумовлених обертанням Землі навколо Сонця, виді­ляються стани меншої тривалості, зумовлені циркуляційними процесами в атмосфері (наприклад, вторгненням теплих та воло­гих повітряних мас).

Ефективний підхід до поділу річного циклу на окремі «стани» (точніше — області станів) розробив Н. Л. БеручашвілІ. У 1971 р. він увів поняття стексу—відрізку року тривалістю не менше до­би, специфіка якого зумовлена сезонною ритмічністю, погодою та динамічною тенденцією зміни вертикальної структури гео­системи.

Основні ознаки виділення стексів: характер зовнішніх факто­рів, що зумовлюють формування стексу; термічні умови; зволо­женість геосистеми; тенденції зміни вертикальної структури. Для кожної з цих ознак встановлено градації і відповідні їм індекси, тому стексам можна дати стислі універсальні назви в індексній формі. За головними факторами динаміки, що діють протягом доби, стекси поділяються на нівальні — при випадінні снігу (ін­декс N), плювіальні (Р)—при випадінні дощу, пірогенні (Я)— при пожежах, еолові (В) — при пилових бурях, гравігенні (Г) — при зсувах, сельових потоках тощо. Якщо стекс формується без впливу цих факторів, у його назві ці індекси не вказуються. За термічними умовами виділяється шість основних груп стек­сів: морозні (кріотермальні) —при температурі повітря менше 0⁰ С (індекс 1); дуже прохолодні (нанотермальні) — температура 0—5°С (2); прохолодні (мікротермальні) — 5—10°С (3); помірно теплі (мезотермальні) 10—15°С (4); теплі (макротермальні) — 15—22° С(5); жаркі — температура понад 22°С (6).

За умовами зволоження стекси поділяються на екстрагумід-_Hj — хоч би в одному з геогоризонтів переважають гідромаси (індекс //); гумідні (G) — із середнім або підвищеним вмістом гідромас в усіх геогоризонтах; семіаридні (S) —з одним геогори-

За тенденцією змін вертикальної структури виділяються стек­си: стабілізації структури— зміна складу та потужності геогори­зонтів не спостерігається (індекс — -); створення структури (ft) — утворення нових геогоризонтів та геомас; руйнування структури (\-J-) —зникнення деяких геогоризонтів та геомас; ус­кладнення структури (|) — збільшення потужності геогоризон­тів; спрощення структури (|); трансформація структури (->) —

зміна активності динамічних процесів у геогоризонтах.

Відповід­но до цих критеріїв виділяються та індексуються стекси. Напри­клад, 5G\—стекс весняного ускладнення структури теплий гу­мідний, 1Н — морозно-сніговий стекс тощо.

Різні геосистеми внаслідок своїх позиційних особливостей, за­лежності метеоумов від рельєфу та інших причин в один і той самий день можуть знаходитися в різних стексах, причому навесні просторова контрастність стексів геосистем значно більша, ніж узимку та влітку.

На відміну від фаз річного циклу, які змінюють одна одну в строго обов'язковій послідовності (після ранньовесняної фази йде пізньовесняна і т. д.), один вид стексу може формуватися протя­гом року неодноразово і змінюватись не одним певним видом стексу, а різними. Ви­явивши такі переходи, можна побудувати сітьовий граф змін стексів протягом року, який Н. Л. Беручашвілі (1990) називає етоциклом геосистеми. Кожна геосистема характеризується власним типовим етоциклом. В окремі роки етоцикли, що формуються в геосистемі, можуть відрізнятися від типового, оскільки окремі стекси можуть не ви­никати (наприклад, нівальні при безсніжних зимах), а також внаслідок «екстравагантних» переходів (наприклад, при рапто­вому вторгненні під час теплої осені холодних повітряних мас, що зумовлює снігопад).