VI. Почему географическую оболочку можно характеризовать как самоорганизующаяся систему?

Важнейшим свойством географической оболочки является способность сохранять свои параметры в определенных ограниченных пределах изменений. При отсутствии такой способности эта система оказалась бы неустойчивой, разрушилась или превратилась в иную систему.

Географическая оболочка существует уже миллиарды лет. За это время изменился ее облик, усложнилась структура, многократно изменялось расположение материков, соотношение суши и моря, состав атмосферы, степень развития и роль жизни и т. д. Однако изменялись составляющие оболочки, но ее сущность – сущность географической оболочки как зоны контакта между геосферами, особого пограничного слоя, в котором взаимодействуют внешняя (солнечная и космическая) и внутренняя энергии Земли, – оставалась прежней.

При самых крайних изменениях своего состояния (развитие вулканизма и связанное с ним резкое изменение прозрачности атмосферы; образование оледенения, горообразование и т. д.) географическая оболочка всегда сохраняла свои основные свойства:

· присутствие воды в трех агрегатных состояниях;

· наличие устойчивых границ (поверхностей раздела) между геосферами и внутри них; радиационный и тепловой балансы,

· постоянство солевого состава океана при изменении объема вод и других географических констант.

Следовательно, при существенных изменениях входов и выходов системы географическая оболочка представляет собой геостат (по аналогии с хемостатом, термостатом, биостатом, гомеостатом – системами, которые автоматически поддерживают определенное состояние параметров).

В историческом плане географическая оболочка выступает как самоорганизующаяся система. Самоорганизация географической оболочки в определенной мере отличает ее от систем физических, химических, приближает к классу биологических систем. Известно, что именно живые организмы, благодаря определенной физиологической организации, способны к гомеостазису. Некоторые ученые считают, что океан – существеннейшая часть географической оболочки – подобен живой клетке и обладает свойствами самоорганизации. Мы будем рассматривать с этой точки зрения всю географическую оболочку. Отличие самоорганизующейся системы от систем физических (в частности, термодинамических) состоит в том, что она не подчиняется принципам термодинамики – не стремится к максимуму термодинамической (Больцмана) энтропии, т. е. к хаосу, беспорядку.

В этом смысле она подобна живому веществу, которое, по мнению Э. Шредингера, определяется как «организация, поддерживаемая извлечением упорядоченности из окружающей среды». Процесс «извлечения упорядоченности» приводит к тому, что система, обладающая самоорганизацией, в ходе развития повышает свою организацию, все более отличается от среды, «возвышается» над нею в организационном отношении, увеличивает устойчивость своей организации по отношению к внешним воздействиям, «стрессам».

Попытаемся на простых примерах понять, каким образом поддерживается организация географической оболочки.

Рассмотрим геостазис в масштабах Северного полушария на протяжении одного года. Начнем с дня весеннего равноденствия. В день весеннего равноденствия на всем земном шаре день равен ночи, угол падения солнечных лучей равен (90° – ф), распределение поступающей солнечной энергии симметрично относительно экватора.

Если бы земная поверхность была подобна лунной (т. е. не имела бы гидросферы и атмосферы), то ее температура определялась бы приходом – расходом теплоты. В этих условиях распределение температур было бы подобно распределению значений cos ф (т. е. зеркально симметрично убывало бы относительно экватора).

Однако на Земле так не происходит. По мере удаления от точки весеннего равноденствия возрастает диссимметричность распределения потока солнечного тепла. В северном полушарии углы падения солнечных лучей возрастают, а в южном уменьшаются. В таком случае в северном полушарии должно происходить соответствующее повышение температуры, однако оно задерживается рядом регулирующих механизмов. В умеренных и высоких широтах тает снег. Идет возмещение потерь теплоты на таяние и частично на испарение за счет снижения температуры.

К концу зимы теплосодержание водоемов и океана северного полушария достигает минимума, поэтому их обогревающая роль становится меньше, чем была зимой. По мере повышения температур средних и высоких широт уменьшается разность температур между экватором и полюсом. Это ослабляет тепловой поток от экватора, т. е. наблюдается ситуация, подобная разумному регулированию отопления в зависимости от потребности: пока тепла (в северном полушарии) недостаточно, холод аккумулируется в снегах и льдах, тепловой поток от океана и от экватора интенсивный; возникают даже «аварийные» переброски тепла из летнего (южного) полушария в северное в форме экваториальных муссонов, усиливающих отток тепла в высокие широты северного полушария в системах тепловых машин атмосферы и океана. Как будто вся географическая оболочка борется за сохранение от переохлаждения высоких широт зимнего полушария.

К лету все эти механизмы регулирования тепла прекращают свою деятельность и утрачивают значение. Зато постепенно набирают силу аккумуляторы тепла: геофизические, геохимические, биологические. После возмещения потерь тепла на таяние поверхность суши быстро нагревается. Часть тепла уносится в глубь приповерхностного слоя и накапливается там до следующего холодного периода. В пресных водоемах прогревается верхний слой воды. По мере повышения температуры от 0 до 4 °С растет плотность воды, нагревающаяся вода погружается вниз, поэтому происходит активный водообмен с глубинными слоями.

С повышением температуры устанавливается устойчивая стратификация вод (холодная внизу, теплая вверху) и вертикальный обмен прекращается до наступления холодов. В океане наблюдается иная картина. После таяния льда (если он был) по мере прогревания океанская вода стратифицировалась бы устойчиво, если бы не термохалинные процессы, обусловленные повышением поверхностной солености и снижением температуры за счет увеличения испарения.

Более соленая и охлажденная вода «тонет» в связи с повышенной плотностью. За счет динамического фактора – конвекции в воде – запасы теплоты, создающиеся в приповерхностном слое океана, вместе с водой увлекаются вглубь и распределяются в километровой толще океанской тропосферы. Температура океанской поверхности остается невысокой даже при том же потоке тепла, что и на суше.

Возрастает разность температур между сушей и океаном, а это вводит в действие тепловую машину второго рода (океан – континент), которая переносит часть теплоты от континента, где она не может аккумулироваться, к океану. Повышение температуры на суше усиливает геохимические процессы с поглощением теплоты. Возрастает испарение, и значительная часть тепла переносится в атмосферу в скрытой форме, аккумулируется в водяном паре.

При конденсации теплота выделяется и расходуется на локальное нагревание воздуха. Усиливается циркуляция и становится более сложной структура атмосферных вихрей: чем больше энергии, тем сложнее структура, так как на поддержание сложности в природе необходимы затраты энергии. По мере роста температуры усиливается фотосинтез.

 Это приводит к тому, что некоторая часть энергии аккумулируется геохимически (кислород и органическое вещество). Часть ее выделится затем в процессе гниения растительных остатков в холодное время года.

К моменту максимума поступления солнечной энергии (день летнего солнцестояния) температура не достигает максимума, так как тепловые аккумуляторы еще не заряжены теплом.

Дальше начинается снижение потока солнечной Энергии в северное полушарие. Одновременно уменьшается и отток тепла с суши, так как океан – главный аккумулятор тепла – постепенно прогревается (уменьшается градиент температуры континент – океан). Поэтому снижение поступления теплоты пока не сказывается на ходе температуры.

Максимум температуры северного полушария смещается на 1–1,5 месяца относительно максимума притока солнечной энергии. От температуры зависит испарение, от ее контраста – турбулентный теплообмен земной поверхности, а, следовательно, и осадки, вегетация растений, геохимические и другие процессы.

Только в августе (в некоторых местах – в начале сентября) происходит тот перелом в ходе лета, который соответствует астрономическому фактору, имевшему место еще в конце июня, – снижению потока солнечной радиации. По мере снижения температуры замирает вегетация, устанавливается устойчивая осенняя стратификация воздуха, так как воздух приземного слоя становится холоднее. Это уменьшает вертикальную циркуляцию в атмосфере. То же происходит и в океане. Тепло от земной поверхности уже не оттекает вглубь и вверх. Наступает момент теплового равновесия между земной и океанской поверхностью и окружающими средами.

Поток солнечной радиации еще снижается. Температура должна бы стремительно падать, но по мере ее снижения вступают в действие буферные системы – аккумуляторы теплоты, замедляющие этот процесс. По мере снижения температуры снижается испарение. Уменьшается интенсивность осолонения поверхностных вод океана. На смену термохалинной циркуляции приходит термическая: поверхностная вода, отдав тепло (в виде турбулентного потока и скрытой теплоты парообразования), тонет и замещается глубинной, более теплой.

Океан начинает обогревать атмосферу. Воздух над океаном становится теплее, чем над сушей. Устанавливаются градиент температуры и градиент давления, направленные от океана к суше, вступает в действие тепловая машина второго рода, но в обратном направлении: теперь тепло переносится от океана к континенту через атмосферу. По мере охлаждения высоких широт возрастает температурный контраст относительно экватора (где сезонные изменения температуры незначительны). Это усиливает функционирование тепловой машины первого рода, которая «перекачивает» тепловую энергию в охлаждающееся северное полушарие. Растения умеренного пояса, утратив листву, уменьшили испарение (и, следовательно, соответствующие затраты теплоты).

Все эти процессы приводят к тому, что температура снижается медленнее, чем поток солнечного тепла. Поэтому зима в умеренных широтах наступает только тогда, когда миновал минимум поступления солнечной радиации, т. е. с большим сдвигом во времени.

Зимой срабатывают специфические механизмы защиты от переохлаждения. Постоянный слой низкой облачности задерживает излучение. Водоемы покрываются льдом, а суша – снегом, которые уменьшают расходы тепла на излучение. Прекращается испарение на суше.

Зато свободная поверхность океана максимально отдает теплоту атмосфере. Если почти все запасы теплоты отданы, вода покрывается льдом, и процесс очень резко (на несколько порядков) ослабляется. В ходе образования снега и льда выделяется теплота замерзания, которая также способствует обогреву географической оболочки (с другой стороны, аккумуляции холода).