Структура и свойства природных систем

Природные системы — это сложные пространственно-времен­ные образования. Они включают природные компоненты и со­подчиненные комплексы более низкого ранга, характеризующи­еся тесными взаимосвязями между компонентами и комплексами системы. Совокупность наиболее устойчивых связей между компонентами и соподчиненными комплексами системы полу­чила название структуры. Различают пространственную и вре­менную структуры. Первая рассматривается как порядок распо­ложения составных частей природной системы, их соотношение и характер взаимосвязей между ними по горизонтали и вертика­ли. Временная структура проявляется в виде сезонных ритмов и многолетней перестройки связей. Изучение структуры позволяет определить инвариантные (т.е. самые устойчивые) свойства при­родных систем и оценить их нарушенность в результате антропо­генного воздействия.

С понятием «структура» связаны современные представления о целостности, устойчивости и изменчивости природных систем.

Целостность — это внутреннее единство системы, обусловленное тесными взаимосвязями между ее составными частями. Благодаря взаимосвязям изменение одних компонентов природы неизбеж­но ведет к изменению других, что в конечном итоге может при­вести к перестройке всей структуры. У геосистем целостность про­является в свойствах, не присущих их отдельным компонентам (например, способность продуцировать биомассу), в относитель­ной автономности, наличии объективных естественных границ, в более тесных внутренних связях по сравнению с внешними (А. Г. Исаченко, 1991).

Устойчивость чаще всего рассматривается, как свойство при­родных систем сохранять или восстанавливать свою структуру и функции при воздействии внешних (в том числе антропогенных) факторов. Она характеризует способность систем нормально функ­ционировать в определенном диапазоне физико-географических условий и техногенных нагрузок. В общем плане устойчивость за­висит от инвариантных свойств гео- и экокомплексов, их ранга, а также от интенсивности и продолжительности действия внешне­го фактора.

Известно, что разные ландшафты в зависимости от своих свойств по-разному реагируют на одно и то же воздействие: одни изменяются в большей степени, другие — в меньшей. В то же са­мое время один и тот же комплекс неодинаково реагирует на раз­ные воздействия: он может мало измениться под влиянием одних факторов и очень сильно — под влиянием других. Поэтому устой­чивость систем приходится рассматривать по отношению к каж­дому фактору отдельно, так что число возможных ситуаций ока­зывается весьма значительным. В каждой конкретной ситуации механизмы устойчивости и ее порог имеют свои особенности и в каждом случае следует искать как «слабое звено», так и рычаги ее стабилизации.

Представление об устойчивости тесно связано с понятием «со­стояние природных систем».

Состояние системы может опреде­лить характеристику ее важнейших свойств за определенный более или менее длительный промежуток времени (сезон, год, многолетний период). Используя это понятие, М.Д. Гродзинский (1987) выделил три формы проявления устойчивости геосистем:

а) инертность — способность геосистемы сохранять свое исход­ное (или близкое к нему) состояние в течение заданного времен­ного интервала;

б) восстанавливаемость — способность геосистем за определенный промежуток времени возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после выхода из него в результа­те действия внешнего фактора;

в) пластичность — наличие у гео­систем нескольких устойчивых состояний и их способность при внешнем воздействии переходить из одного состояния в другое, сохраняя свои инвариантные свойства.

Устойчивость природных систем. Устойчивым считается состояние системы, к которому она самопроизвольно возвращается, если ранее была выведена из него внешними силами. В ес­тественных условиях оно поддерживается за счет механизма са­морегулирования. Однако в настоящее время, когда антропогенные нагрузки на природу часто превышают порог устойчивости, этот механизм уже не срабатывает и природные системы перехо­дят в неустойчивое, а нередко и в критическое состояние. В этом случае происходит качественная перестройка систем, которая приводит к смене структуры и изменению реакции на внеш­нее воздействие.

Изменчивость природных систем. Изменчивость рас­сматривается как способность под действием внешних и внутрен­них сил переходить из одного состояния в другое. Среди компо­нентов природы наиболее подвержены изменению атмосферный воздух и воды, а наиболее устойчивы горные породы и рельеф, промежуточное положение занимают биота и почвы. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Если природный ком­плекс после какого-либо внешнего воздействия изменился, но затем за некоторый промежуток времени (приблизительно рав­ный одному-двум поколениям жизни людей) возвратился в ис­ходное (или близкое к нему) состояние, говорят об обратимых изменениях. Такие изменения обычно связаны с нарушением так на­зываемых «вторичных» компонентов ландшафта — биоты, почв, водного режима. Если после вмешательства извне прежнее со­стояние не восстанавливается, то говорят о необратимых измене­ниях. Необратимые изменения чаще всего проявляются при на­рушении «первичных» компонентов ландшафта, особенно ли-тогенной основы (например, при образовании карьеров или оврагов).

По глубине трансформации природных систем различают: функ­ционирование, динамику и развитие (эволюцию).

Функционирование — это совокупность процессов передачи и превращения вещества и энергии в системе, поддерживающих ее в определенном состоянии. В результате этих процессов происхо­дят небольшие количественные изменения компонентов приро­ды, которые обычно имеют ритмический (суточный, сезонный, межгодовой) характер.

Под динамикой понимают направленные изменения природ­ной системы, которые совершаются в рамках ее структуры и но­сят обратимый характер. К ним можно отнести сукцессии экоси­стем (последовательные смены их биоценозов), восстановитель­ные смены их состояний (например, восстановление биогеоценозов после вырубок, пожаров, выпаса скота). В процессе динамики на­блюдаются более глубокие изменения, чем при функционирова­нии, но они не ведут к качественной перестройке структуры, а лишь подготавливают ее.

Развитие (эволюция) — это есть необратимые направленные изменения природной системы, приводящие к ко­ренной перестройке ее структуры. Развитие выражается в каче­ственном преобразовании компонентов природы и формировании новых геосистем (ландшафтов), что связано как с внешними воз­действиями (природные или антропогенные), так и с внутренни­ми причинами (саморазвитие). В естественных условиях смена струк­туры идет постепенно (например, зарастание озер, заболачива­ние лесных биогеоценозов и др.), однако при интенсивном антропогенном воздействии она может ускоряться и нередко при­водит к полной деградации исходных ландшафтов.

Изменения природных систем обычно начинаются с измене­ния одного-двух компонентов, остальные трансформируются бла­годаря вертикальным и горизонтальным связям, т.е. однажды воз­никшие нарушения служат началом «цепной» реакции в природе. Вертикальные связи выражаются в обмене веществом и энергией между компонентами геосистемы (воздух, вода, почвы, расти­тельность и др.). Их анализ необходим для прогноза изменений слабоизученных компонентов на основе хорошо изученных, а также для управления воздействием на один компонент в целях получе­ния положительного эффекта от других. Горизонтальные связи проявляются в обмене веществом и энергией между соседними геосистемами (более низкого и равного рангов). Их изучение по­зволяет:

а) определить ареал влияния инженерных сооружений на природу, что очень важно для выявления зоны возможного загрязнения окружающей среды;

б) проанализировать возможность антропогенного воздействия на один ландшафт для благоприят­ного изменения другого.

Связи могут быть прямыми (воздействие передается с выхода одной системы на вход другой) и обратными (воздействие пере­дается «назад» по цепочке связей с выхода системы на ее вход).

Обратные связи подразделяют на положительные и отрицатель­ные. При положительной обратной связи выходной импульс уси­ливает воздействие на входе, что часто нарушает равновесие в системе (например, при образовании лавин). При отрицательной обратной связи выходной импульс ослабляет действие входного сигнала и обычно ведет к стабилизации системы (например, умень­шение стока в озеро сокращает площадь его зеркала, а тем самым и величину испарения, что восстанавливает его водный баланс). Отрицательные обратные связи выступают в качестве «рычага» саморегулирования природных систем и, следовательно, опреде­ляют их устойчивость и структуру.

Саморегулирование рассматривается, как способность систем без вмешательства извне поддерживать свое состояние, несмотря на изменение внешних факторов (например, сохранение биогео­ценозом одного уровня продуктивности в разные по погодным условиям годы). Саморегулирование осуществляется до тех пор, пока процессы, протекающие в природной системе, способны нейтрализовать нежелательные воздействия. Если защитные меха­низмы истощаются, она либо разрушается, либо должна изменить структуру. Способность системы к изменению структуры пу­тем перестройки ее внутренних связей получила название само­организации (А. Д. Арманд, 1988).

Благодаря саморегулированию и самоорганизации природные системы могут поддерживать экологическое равновесие — сба­лансированное соотношение между приходом и расходом веще­ства и энергии. В этом случае нарушения, связанные с внешним воздействием, как бы компенсируются процессами саморегули­рования и самоорганизации. В результате формируются относи­тельно устойчивые системы, способные поддерживать состояние динамического равновесия с окружающей природной средой. На­рушение равновесия нередко ведет к подрыву природно-ресурс­ного потенциала (например, падению биологической продуктив­ности), поэтому поддержание или восстановление равновесного состояния систем — одна из предпосылок рационального исполь­зования и охраны природных ресурсов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: