Модели пространства и времени геосистем

Боков Владимир Александрович, д-р. геогр. наук, проф.
Таврический национальный университет им. В.И.Вернадского
Черванёв Игорь Григорьевич, д-р. техн. наук, проф.
Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина

Геосистемы имеют сложную иерархическую структуру и многообразные пространственные и временные отношения. Для их описания используется большой набор субстанциональных и реляционных моделей пространства и времени. Анализ пространственных и временных отношений в геосистемах имеет важное значение для оптимизации экологической, хозяйственной и социальной деятельности.
Ключевые слова: пространство и время, геосистемы, пространственные и временные уровни, контактно-пограничная анизотропия, симметрия, оптимизация человеческой деятельности.

Geosystems have a complex hierarhcical structure and multiple spatial and temporal relations. Wide range of substantial and relational of space and time is used to describe geosystems. The analysis of spatial and temporal relations in geosystems have great importance for optimization of ecological, economic and social activity.
Keywords: space, time, geosystems, space and temporal levels geosystems, contact-border anizotropy, simmetry, optimization of human activity.

Пространство и время – особые категории, на протяжении многих веков находящиеся в поле внимания ученых. Пространственные и временные отношения имеют многообразный характер в геосистемах, что важно с точки зрения решения многообразных экологических, социальных и хозяйственных задач.

Геосистемы (географические системы) охватывают широкий интервал пространственных масштабов: от элементарных ландшафтов (10¹ м) и ландшафтных парцелл (10⁰ м) до геосферы (географической оболочки) с диаметром 10⁷ м. Если учесть, что географы в ходе анализа «углубляются» до атомов (геохимия ландшафта) и выходят до околоземного пространства (землеведение), то пространственный диапазон возрастает в три раза.

Диапазон временных интересов географов охватывает примерно 1 млрд. лет, но в более общем смысле распространяется до 4 млрд. лет, что сопоставимо с временем существования Вселенной (после Большого взрыва).

Различают три основных пространственных уровня: глобальный, региональный и локальный. Спектр геосистем по пространственным масштабам заключен между геосферой (географической оболочкой) и элементарным ландшафтом, между которыми наблюдается серия промежуточных геосистем – до 10-12 масштабных уровней (Haase, 1976; Blumensteinundetc., 2000; Kroenertandoth., 2001).

Роль размеров геосистемотображенавзаконе неинвариантности относительно преобразования масштаба и законе факторной относительности (Маккавеев, 1971; Симонов, 1977; Черванев, 1988).

Географическая оболочка и составляющие ее геосистемы имеют отчетливое контактно-реакционное строение, обусловленное контактом Земли и Космоса. Контактно-пограничная анизотропия проявляется также в горизонтальном направлении, что нашло свое отражение в формулировке различных вариантов позиционных эффектов (Ретеюм, 1988; Родоман, 1999; Гродзинський, 2005). Как следствие, имеет место увеличение удельной пространственной контрастности с уменьшением размеров объектов, что отображено в законе уменьшения удельных пространственных градиентов с ростом размеров геосистем: G_l > G_r >G_g (Черванев, Боков, Тимченко, 2004). Позиционные меры пространства (местоположения и др.) широко используются для оценки расстояния наряду с метрическими мерами. Позиция геосистемы относительно горных систем, ледниковых тел, водоемов играет часто решающее значение для формирования ее свойств. На этой базе сформулировано правило пространственной некоммутативности (Черванев, Боков, Тимченко, 2004): перестановка в пространстве геосистем или запрещена или приводит к большим изменениям их свойств. Аналогично проявляется правило временной некоммутативности: перестановка фаз развития геосистемы запрещена или приводит к существенным изменениям итога развития даже при сохранении суммы фаз.

Вращающееся сферическое пространство приобретает качественные отличия от декартового пространства. На вращающейся сфере возникает сила Кориолиса (планетарный вихрь), зависящая от широты и скорости обращения Земли вокруг оси. Вращающаяся сфера приобретает четыре фундаментальных элемента симметрии, отсутствующие в неподвижной сфере: ось вращения, фиксированную в пространстве-времени, плоскость экватора, которая является плоскостью фундаментальной симметрии, анизотропию относительно плоскости экватора и анизоморфность относительно широты места. В связи с этим вращающаяся сфера приобретает черты биконической симметрии, одновременно утрачивая некоторые черты сферической симметрии (бесконечное число осей и плоскостей симметрии): в результате, земной шар представляет собой квазисферу-биконус, а тип симметрии - квазисферично-биконический. К сожалению, в теории симметрии такой тип симметрии сих пор не определён.

Свойства пространства, структурированные по таким типам симметрии, следующие: центрированность - центр пространства совпадает с центрами сферы и обоих оснований конусов, неоднородность - плотность вещества нарастает сферосимметрично с приближением к центру пространства, фундаментальная анизотропность - существование направлений «вверх-вниз», которые являются отрезками векторов, стремящихся к центру, латеральная анизотропность - разный вес «горизонтальных» направлений в любой точке квазисферично-биконического пространства вращающейся Земли.

Вращение Земли вокруг Солнца и своей оси при практически параллельном пучке солнечных лучей, идущих к Земле при наклоне ее оси к плоскости орбиты примерно на 66⁰, определяет основные планетные характеристики времени и многие характеристики пространства: поясные (13 климатических и географических поясов), зональные и секторные различия. Движение вещества происходит по замкнутым траекториям, которые зависят от положения относительно плоскости экватора (билатеральная анизотропность - зеркально-противоположные направления движения).

Сферичность планетарного географического пространства, заданная планетой, отчетливо проявляется на глобальном уровне, но постепенно теряет значение на более мелких уровнях и практически не ощущается на локальных уровнях.

В геосистемах проявляется правило увеличения временной контрастности: с уменьшением временных отрезков удельные различия между ними возрастают.

Этот закон объясняет, почему процессы с разными временными масштабами идут относительно независимо: процессы с большими временными масштабами имеют небольшие градиенты изменения во времени, которые на коротких отрезках времени оказываются несущественными. А процессы, происходящие на коротких интервалах, ограничены во времени. Ко всему прочему процессы разной длительности обычно проходят в разных пространственных границах, что дополнительно разграничивает их.

В целом на всех уровнях геосистем широко используется модель пространства с тремя измерениями. Однако для отображения территориальных систем используются модели с двумя осями пространства. Вместе с тем для анализа территорий используются также модели, у которых пространство имеет 2,5 оси (Родоман, 1999) и 4 оси.

Для описания временных отношений в геосистемах используется сложное сочетание внешних (заданных для геосистем извне) и внутренних (формирующихся внутри геосистем) «часов». В качестве первых используется астрономическое солнечно-планетное время, связанное с движением Земли вокруг Солнца и своей оси. Эти циклы связаны с колебаниями поступающей на земную поверхность солнечной радиации – основного источника энергии и процессов в географической оболочке. Годовая и суточная ритмика распространяется на все геосистемные процессы, то есть это время можно считать абсолютным. Лунный календарь используется в меньшей степени, поскольку эти циклы оказывают заметно меньшее влияние на геосистемы. В солнечно-планетный календарь вписаны такие единицы времени как секунда, минута, час и др., которые базируются на физических эталонах и детализируют пространство.

На длительные отрезки астрономического солнечно-планетного времени спроецировано геологическое летоисчисление. Геологическая шкала отображает ускорение времени, свойственное земным системам. Каждый геологический период характеризуется своим литолого-фациальным разнообразием, своей флорой и фауной, каждое время года — определенными фенофазами растений. Тем самым время оказывается не вместилищем мира, а самой его тканью, оно не фон, на котором происходит изменение объекта, а само это изменение (Левич, 1998).

Самоорганизация геосистем формирует специфические временные шкалы: ритмы и циклы, изменения, описываемые экспоненциальными и логистическими кривыми, которые отображают развитие во времени популяций и почв, сукцессии растительного покрова, движение биоценозов к климаксу, то есть в этом случае время представляется как множество качественно различных периодов (Николаев, 1989). Как подчеркивает А.Д.Арманд (1988), существует почти неограниченная возможность выделения частных “времен” в окружающей природе и в обществе, подчас слабо связанных или вообще не связанных между собой. На каждом пространственном уровне можно выбрать наиболее отвечающие этому уровню часы.

У геосистем, обладающих процессами самоорганизации, имеют место три основных процесса, определяющие типы временных шкал:

• - колебательные, задаваемые извне (вынужденные колебания) или возникающие автономно (автономные колебания);
• - процессы разрядки, снижения потенциалов, упрощения, движения в сторону наиболее вероятных состояний, что отвечает принципу возрастания энтропии;
• - процессы роста потенциалов, увеличения структуры, что отвечает принципу самоорганизации систем.

Анализ пространственно-временных отношений в геосистемах позволяет сделать выводы относительно соотношения атрибутивных (субстанциональных) и реляционных моделей пространства и времени. Подтверждаются выводы А.М.Мостепаненко (1969) и Ю.Б.Молчанова (1977) о дополнительности этих моделей. Пространственные характеристики, формируемые геосистемой более высокого уровня и являющиеся зависимыми величинами на этом уровне, выступают на более низком уровне геосистем факторами, определяющими движение потоков вещества и энергии и характер процессов (Боков, 1992). Возникает скользящая лестница переходов: вещественно-атрибутивные качества объектов определяют свойства его пространства (относительное или реляционное пространство), которое для объекта более никого уровня выполняет функции абсолютного (субстанционального) пространства.

В результате, конструирование пространства и времени геосистем строится путем использования абсолютных (субстанциональных) видов пространства и времени, в которые вписываются условные физические и собственные географические меры (многообразные варианты пространства и времени: время-явление и время-часы, пространства-явления (выражаемого в виде присущих каждому типу геосистем структур) и пространства-меры (измеряемые эталонными мерами). Таким образом, имеется смысл разделить пространство геосистем на их реальное пространство (пространство-структура объекта), характеризующееся конкретными элементами структуры (местоположения, отрезки продольного профиля равновесия реки и профиля равновесия склонов, отрезки ландшафтных зон, элементы структуры речной сети и др.) и отрезки расстояния, измеренные с помощью метрической системы (пространство-расстояние, метрические меры). Это позволяет снять многие противоречия субстанциональной и реляционной концепций (Левич, 1996: Шаров, 1996; Шихобалов, 1997).

Имеет место взаимосвязь пространства и времени геосистем.Пространственная контрастность, изменчивость явлений и объектов от места к месту – основа для движения, поскольку любые различия – это потенциалы, определяющие при некоторых условиях разворачивание процессов в соответствии с законом наиболее вероятных состояний. Отсюда объекты, находящиеся вдоль потока, связывающего их и испытывающего трансформацию, находятся в разном времени, поскольку поток достигает каждый объект в разное время. Время достаточно часто бывает вводимым в модели заместителем расстояния, энергии, денег (плата за расстояние) и помогает различать причину и следствие в цепях событий. Связь пространства и времени также отображена в модели эргодичности геосистем (Симонов, 1966; Калинин, 1978).

Несовпадение часов разных процессов заставляет вводить представление об ускорении или замедлении времени, строить специальные карты (анаморфозы) и др.

Процессы, идущие в окружающей человека среде с разными характерными временами, не независимы друг от друга. Взаимосвязь между ними приводит к созданию иерархической соподчиненности отдельных систем отсчета времени. Однако зависимость эта не абсолютна, она оставляет достаточно простора для автономии объединенных в систему “часов” (Арманд, 1996).

Человеческая деятельность опирается на большую группу пространственных и временных координат в геосистемах. Между эталонными пространственными и временными единицами и единицами, свойственными самим геосистемам, существуют значительные различия, что делает необходимым синхронизацию часов. Необходимо производить подстройку часов в целях оптимизации экологической, социальной и хозяйственной деятельности.

Многообразие пространственных и временных отношений в геосистемах делает необходимым их учета в практической деятельности, в нахождении оптимизационных вариантов. Наличие множества внешних и внутренних «часов» определяет необходимость более эффективного использования тех отрезков временной шкалы, в которые эффективность проявления процессов выше.

Литература:

1. Арманд А.Д. Самоорганизация природных систем. М.: Наука, 1988. – 288 с.

2. Арманд А.Д. Время в географических науках // Конструкции времени в естествознании: на пути к пониманию феномена времени. Часть 1. Междисциплинарное исследование. М.: Изд-во Московского университета. 1996. - С.201-233.

3. Боков В.А. Пространственно-временные отношения как фактор формирования свойств геосистем // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1992. – № 2. - С.10-16.

4. Гродзиньский М.Д. Пiзнання ландшафту: мiсце i простiр. Том 1. – Киiв: ВПЦ Киiвський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченко, 2005. – 432 с.

5. Калинин Г.П. Пространственно-временной анализ и эргодичность гидрологических элементов // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1966. – № 5. -С.27-34.

6. Левич А. П. Время — субстанция или реляция?.. Отказ от противопоставления концепций // Журнал "Философские исследования", 1998, №1, с. 6-23.

7. Маккавеев Н.И. Сток и русловые процессы. – М.: Изд-во Московского ун-та, 1971. – 115 с.

8. Молчанов Ю.Б. Четыре концепции времени в философии и физике. – М.: Наука, 1977. - 192 с.

9. Мостепаненко А.М. Проблема универсальности основных свойств пространства и времени. – Л.: Наука, 1969. – 230 с.

10. Николаев В.А. Ландшафтное пространство-время (методологические аспекты) // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1989. – № 2. - С.18-25.

11. Ретеюм А.Ю. Земные миры. – М.: Мысль, 1988. – 268 с.

12. Родоман Б.Б. Позиционный принцип и давление места // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1979. - № 3. – С.27-36.

13. Симонов Ю.Г. Пути применения эргодической теоремы для палеогеографического анализа континентов // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1966. – № 5 - С.33-39.

14. Симонов Ю.Г. Пространственно-временной анализ в физической географии // Вестник Московского ун-та. Сер. 5. География, 1977. – № 4. - С.22-27.

15. Черванев И.Г. Самоорганизация рельефа земной поверхности // Физическая география и геоморфология, 1988. – Вып. 35. – С.45-51.

16. Черванев И.Г., Боков В.А., Тимченко И.Е. Геосистемные методы управления природной средой. – Харьков, 2005. – 128 с.

17. Шаров А.А. Анализ типологической концепции времени С.В.Мейена // Конструкции времени в естествознании: на пути к пониманию феномена времени. Часть 1. Междисциплинарное исследование. - М.: Изд-во Московского университета, 1996. - С.96-111.

18. Шихобалов Л.С. Время: субстанция или реляция?.. Нет ответа // Вестник Санкт-Петербургского отделения Российской Академии естественных наук. - 1997. - N 1 (4). - С. 369 - 377.

19. Blumenstein O., Schachtzabel H., Barsch H., Bork H.-R., Kueppers U. Grundlage der Geoekologie. Erscheinungen und Prozesse in unserer Umwelt. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2000. – 260 s.

20. Kroenert R., Steinbardt U., Volk M. Landscape Balance and Landscape Assessment. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. – 304 p.

21. Haase G. Die Arealstruktur chorischer Naturraume // Pettermans Geogr. Mitteilung. – 1976. - № 120. – S.130-135.