Вступ.

1. Структури геосистем.

2. Механізми стабілізації та оптимізації стану геосистем.

Висновки.

Список використаної літератури.

Вступ

Геосистема — природно-технічна — сукупність взаємодіючих природних і штучних об'єктів. Формується в результаті будівництва й експлуатації інженерних і інших споруджень, комплексів і технічних засобів, взаємодіючих із природним середовищем. Структура геосистеми включає підсистему природних об'єктів (геологічні тіла, ґрунт, рослинні покриви, водні джерела), тридцятилітніх природну основу геосистеми (навколишню природну, у т.ч. геологічне середовище) і підсистему штучних об'єктів (наземні й підземні спорудження, водоймища й т.п. ).

Звичайно геосистеми являють собою складні утворення, в ієрархії яких різняться по значимості наступні компоненти. У підсистемі штучних об'єктів виділяють сукупність об'єктів, що визначають призначення геосистеми (наприклад, у геосистеми по видобутку корисних копалин — шахта й все шахтне господарство); сукупність допоміжних об'єктів (що забезпечують збагачення руд, підведення енергії, транспортування сировини, матеріалів); сукупність об'єктів культурно-побутового призначення й ін. У свою чергу, у кожній із цих сукупностей можуть бути виділені окремі об'єкти (наприклад, окрема гірське вироблення й ін.).

У підсистемі навколишнього природного середовища виділяють природно-територіальні комплекси, урочища, у межах останніх — окремі природні об'єкти (геологічні тіла, ґрунт, рослинність, водні об'єкти й ін.). Системоутворюючі властивості геосистеми проявляються в процесі взаємодії підсистем і можуть бути руйнуючими, збудливими, регулюючими й керуючими. Останні дозволяють оптимізувати функціонування геосистеми.

1. Структури геосистем

Структури геосистем відносяться до двох принципово несхожих типів, які можна назвати структурами однорідними й додатковими (Арманд А., 1988). Відмітною ознакою першої групи структур є те, що елементи в них однотипні й у принципі взаємозамінні. Прикладами систем, побудованих по цьому типі. можуть бути водозбірний басейн, складений з подібних елементарних басейнів, монодомінантний одновіковий ліс, система сільських або міських поселень одного рангу й т.п. Елементи систем, що входять у додаткову структуру, не можуть замінити один одного, тому що виконують у системі різні функції й відповідно не мають морфологічну подібність. У таких взаєминах перебувають тридцятимільйонне горіння літосфера, ґрунт, рослинність, тварини, атмосфера й ґрунтові води. На глобальному рівні додаткові структури сформовані комплексами океани-материки, гори-передгірні рівнини й ін.

Системи з одним або іншим типом структури різняться по ряду важливих властивостей. Сила зв'язків між елементами в середньому значно вище в межах додаткових систем. Додавання нових елементів в однорідну структуру або вилучення частини їх звичайно мало позначається на функціонуванні частини, що залишилася, системи, тоді як для додаткової системи така операція може бути згубної. Властивість емерджентності — здатність до виникнення нових якостей, не властивих окремим елементам, — у значно більшому ступені характерно для додаткових систем. Вони відрізняються також більше високою провідністю сигналів різного типу, тоді як однорідні системи здатні служити лише середовищем розбіжних від центра хвиль, що більш-менш швидко загасають. Наслідком зазначених властивостей є формування в структурах однорідних і додаткових систем різних механізмів саморегулювання й різна стійкість цих систем стосовно локальних і глобальних збурювань, про що говорилося в попередніх главах.

Важливою ознакою структури географічних систем варто вважати напрямок зв'язків: вертикальне або горизонтальне. У першому випадку потоки речовини, енергії й інформації рухаються по градієнті сили ваги, до центра землі, або проти градієнта: потоки дощу, інфільтрація вологи в ґрунт, опадання опадів й, з іншого боку, підйом нагрітих повітряних мас, капілярний підйом розчинів у ґрунті, рух соків по посудинах рослин. У другому випадку потоки направляються поверхнею землі, морської або озерної води, геологічними нашаруваннями, коли вони близькі до горизонтального залягання. Поділ на горизонтальні й вертикальні зв'язки, відповідно на горизонтальні й вертикальні структури важливо тому, що перші можуть бути зображені на карті, плані й вивчатися географічними методами, тоді як для других картографічне зображення мало придатне. Для реальних географічних систем характерне сполучення горизонтальних і вертикальних взаємодій, так що має сенс говорити лише про перевагу тих або інших[3, c. 55-56].

Географічні системи, як і інші природні системи, утворять у сукупності багатоярусну ієрархічну структуру. Можна вказати кілька принципів побудови геосистемних ієрархій: по просторовому включенню, по потоках речовини й енергії, по напрямку керуючих впливів (потоків інформації). Всі вони, однак, приводять до побудови структур, що не збігаються із традиційної для фізичної географії ієрархії територіальних одиниць: фацій, урочищ, ландшафтів і т.д. (Арманд, Купріянова, 1976). Стала з ототожнення територіальних і системних одиниць, що веде свій початок від В. Б. Сочави (1978), не сприяє розумінню пристрою геосфери. Говорячи про горіння, очевидно, краще оперувати з "системами рівня фації", "рівня урочища" і т.п. При цьому на одному рівні ми виявимо, наприклад, систему ядерної частини фації й системи перехідних частин (екотонів), що захоплюють суміжні ділянки сусідніх фацій (Люрі, 1989).

Далі розглянемо структурні особливості геосистем, що відповідають різним рівням просторової ландшафтної ієрархії.

Середня, ядерна, частина ландшафтної фації в значній мірі має властивості однорідної системи, об'єднаної горизонтальними потоками. Елементами однорідної системи можна вважати консорції. Цим геоботанічним поняттям позначається система, центром якої служить дерево, кущ або парцелла трав'яних, мохових рослин, а поєднувані навколо центра підсистеми включають взаємодіючі з ним обсяги ґрунту й атмосфери, трофічно й територіально пов'язані із центром групи мохів, лишайників, грибів, ґрунтових безхребетних, комах, птахів і ін. Взаємодії між консорціями здійснюються більш-менш симетрично за допомогою світлового й вітрового затінення конкуренцій кореневих систем, хімічних виділень аллелопатії, обміну спорами й насінням, птахами й комахами й ін. Симетрія взаємодій визначається однотипністю підсистем.

У смузі, наближеної до границі фації, структура зв'язків перетвориться. Границя з якісно іншою фацією, наприклад, лісу із чагарниковою поросллю, болота з лугом, створює градієнт фізичних і біологічних властивостей середовища: освітленості, нагрівання, зволоження, насиченості видами, властивими даному місцеперебуванню. У результаті виникають спрямовані поперек або уздовж границі потоки вітру, тепла, організмів, насінь, опадів й т.п. (Люрі, 1989). Помітно підсилюється інтенсивність всеукраїнських потоків і сила відповідних зв'язків, насамперед горизонтальних. Контактна функція екотона доповнюється бар'єрною функцією: переміщення ряду видів тварин зупиняється на границі фацій, потоки гальмуються й відбиваються або направляються уздовж границі.

Таким чином, на рівні фацій ми виявляємо системи двох типів. За зразком однорідних систем з горизонтальними взаємодіями організовані ядерні однорідні частини фацій, тоді як крайові частини й перехідні смуги між ядрами наближаються до типу додаткових горизонтальних систем. Ті й інші утворені, у свою чергу, з додаткових систем з перевагою вертикальних зв'язків – консорцій[6, c. 62-64].

Системи рівня урочищ, як правило, утворені серіями фацій, що різняться між собою, у з'єднуючих їх екотонов. Фації в межах урочища часто розташовуються закономірно, переміняючи Один одного в напрямку падіння схилу річкової долини, озерної улоговини й т.п. Некомпенсовані потоки води, змиваної ґрунту, мертвої й живої органічної речовини, в основному спрямовані долілиць по схилі, з'єднують фації в додаткові системи рангу урочища. У багатьох випадках ландшафтознавці виділяють урочища в границях елементарних водозбірних басейнів. Із цих щодо автономних системних одиниць складається система наступного рівня, що відповідає таксономічному рангу ландшафту.

Елементарні осередки ландшафтної системи, коли вони розвилися в однакових геологічних і кліматичних умовах, в основних рисах подібні між собою й тому в сукупності утворять однорідну систему. Можна, однак, помітити, що потоки живої й неживої речовини між водозборами, розділеними лініями вододілів, слабкі, а якщо рельєф більш-менш контрастний, то можуть бути взагалі епізодичними. У тих випадках, коли ландшафт розташовується в межах одного водозбірного басейну, як всеукраїнські канали зв'язки можуть розглядатися водотоки. Їхня дія, однак, мало позначається на будові й динаміку сухопутних частин фацій: ґрунтах, наземній рослинності й тваринному світі. У всякому разі, зв'язок між цими елементами, що ставляться до різних фацій, за допомогою водотоків вимагає дуже тривалого часу, порівнянного із часом ерозійного перетворення рельєфу.

Наступні рівні ландшафтної ієрархії: фізико-географічні провінції; країни, зони взагалі не має змісту розглядати як системи, тому що обов'язкові зв'язки між їхніми різними частинами або відсутні, або досить слабкі. Більш-менш відчутні регулярні потоки фізичної й біологічної природи виявляються лише в перехідних смугах між контрастними зонами, провінціями, країнами. До них можна віднести сезонні перельоти птахів, північних оленів — між лісом і тундрою, сарн і турів — у горах; гірські бризи; винос потоками алювію й пролювію в передгір'ях. Особливо зростають взаємодії на передостанньому (перед глобальним) рівні системної ієрархії, у системі материк-океан. Гранично контрастні континентальні екотони поєднують сушу й відкриту поверхню океану (моря, озера) численними потоками речовини й енергії, спрямованими в ту й іншу сторони. Залежно від агентів переносу (хвилювання, птахи, річковий стік, атмосферні потоки) у районі границі вода-суша можна виділити ієрархію систем, починаючи від рівня фації й кінчаючи субглобальним рівнем, із системами типу Атлантика- Євразія. Всі ці екотонні системи ставляться до додаткового типу. У їхньому функціонуванні важливу роль грають як горизонтально спрямовані потоки, так і вертикальний обмін теплом, вологою, хімічними речовинами між твердою оболонкою Землі, гідросферою й атмосферою.

Для геосистем глобального рівня стають істотними властивості Землі як планети: її кулястість, диференціація геосфер, обертання й обіг навколо Сонця. Основною особливістю загальноземної структури можна вважати взаємодія оболонок твердого тіла Землі, гідросфери, атмосфери й живої речовини біосфери. Кожна пара оболонок і все разом утворять додаткові вертикальні системи, об'єднані потоками сонячної енергії, космічних часток, газів, води, органічного речовини, хімічних речовин природного походження й створених людиною. Може бути виділена також серія горизонтальних систем, що поєднують між собою полярні, помірні, тропічні й екваторіальні пояси, північна півкуля з південним. Численні зворотні зв'язки підтримують стан глобальної системи у вузькому діапазоні значень, що разюче відповідає оптимальним умовам існування живої матерії[2, c. 75-77].

2. Механізми стабілізації та оптимізації стану геосистем

Можна назвати шість механізмів, з дією яких зв'язане більш-менш тривале перебування систем у незмінному стані: інерція, обмеження обміну з навколишнім середовищем, проточність, негативні, позитивні й конкурентна зворотні зв'язки.

Наочне подання про дію інерції дає інерція твердих тел. Зі збільшенням маси тіла зменшується його реакція на одиночний імпульс (збурювання), збільшується час реакції на тривалий вплив однієї й тієї ж сили. Закон про інерцію знаходить специфічне переломлення в процесах денудації, коли характерний час вирівнювання подібних за формою й складених подібними породами форм рельєфу прямо залежить від їхнього розміру. Подібно інерційному тілу реагує на хімічний вплив стояча водойма, на кліматичний вплив — льодовик: амплітуда й швидкість відповіді на збурювання залежать від маси води й льоду.

Інерційність у розширеному розумінні терміна властива й живим системам. Якщо біомаса фітоценозу зосереджена в тканинах однолітніх трав'янистих рослин — співтовариство швидко реагує на стан середовища, якщо — у стовбурах дерев, то співтовариство більш інертно. У містобудуванні поняття "інерція" використовується для позначення властивості міської інфраструктури тривалий час зберігати свій план будови й із працею піддаватися переплануванню. У такому ж змісті мають інерцію мережі комунікацій, галузева структура й географічне розміщення промислового виробництва, причому інерційність систем прямо пропорційна сумі вкладених у них засобів.

Властивістю, подібною інерції, володіють системи, які мають у своєму розпорядженні резервну ємність, що дозволяє безболісно поглинати вступників у систему чужорідні елементи. Так, протягом певного часу може відбуватися нагромадження забруднюючих речовин у ґрунті без видимих наслідків для структури відсталих і біотичних компонентів, для родючості ґрунту. При цьому в бар'єрних зонах або у всій ґрунтовій товщі може відбуватися нейтралізація забруднень (забруднювачів), що супроводжується необоротною витратою певних елементів. При випаданні кислотних опадів зв'язування катіонів двоокису сірки відбувається за допомогою кальцію, що втримується в ґрунті (Глазовская, 1983).

У всіх випадках, коли стійкість стану визначається інерцією або подібним їй властивістю, відбувається необоротна витрата деякого "запасу", певного якості системи, при цьому ефект прямо пропорційний добутку сили впливу на його тривалість і обернено пропорційний "запасу" маси, ємності. Однак обмеженість аналогії для випадків заповнення ємності в тім, що по досягненні деякого порога властивості системи міняються стрибкоподібно, чого не спостерігається в механіку[5, c. 39-41].

Пристосування, що обмежують обмін систем з навколишнім середовищем і в такий спосіб сприятливої стабілізації стану, широко поширені в навколишній нас середовищу. Тут можна перелічити плівки поверхневого натягу на границях речовин з різним фазовим станом, клітинні мембрани, шкірний покрив і кору живих організмів, зовнішній хітиновий кістяк комах, покрив з луски, пір'я, вовни, кісткових пластинок і т.п. З іншого боку, стабільність географічного середовища перебуває в прямої залежності від існування магнітного поля Землі, атмосфери з її іоносферою, озоновим екраном, хмарним покривом. Ряд біоценозів знаходять ще більш однорідні умови існування під товщею озерної, морської й океанської води, у печерах і під шаром ґрунту. Широко розповсюджений у природі тимчасовий перехід організмів у закритий стан у формі спор і насінь, анабіозу, зимової сплячки, а також укривання в норах, гніздах і т.п. Горіння може спонтанно переходити в більше закритий стан у ході свого природного розвитку. Так мертвий лід, релікт льодовика, що відступив, у міру танення відділяється від середовища усе могутнішою товщею морени, на оголених гірських породах наростає ізолюючий шар кори вивітрювання, на багаторічній мерзлоті покрив рослинності.

Людське суспільство вдосконалило методи "закривання": розроблені численні конструкції одягу, жител, виробничих будинків. Середньовічні замки й фортеці, новітні проекти міст під прозорим ковпаком реалізують ту ж мету: обмежити вплив навколишнього середовища.

Механізми обмеження обміну незважаючи на свою поширеність не можуть мати універсального значення, тому що повна ізоляція неможлива, а головне, для саморегульованих систем, особливо для живих, це означало б припинення обміну речовин, без якого припиниться саме їхнє існування.

До пасивних механізмів, що підтримують більш-менш стабільний стан систем, варто віднести також проточність. До проточного можна віднести системи, улаштовані по типі басейну із вхідною й вихідною трубами: в одну втікає вода (або будь-яка інша речовина), в іншу — випливає. Відповідно чужорідні речовини, що попадають у систему, потім можуть бути вимиті з її в ході нормального функціонування. У так званих каскадних системах (Chorley, Kennedy, 1971: Глазовська, 1983) проточними виявляються все ланки каскаду, крім останнього. Хімічні забруднюючі речовини лише тимчасово затримуються в басейні ріки, у її руслі, у проточних озерах і водоймищах, але накопичуються в безстічній улоговині аридного району. Атмосфера Землі, води океанів, ґрунту гумідних територій, організми рослин і тварин, виробничі ланцюжки, склад учнів шкіл і студентів вузів, призовників армії, почасти людська пам'ять — приклади проточних систем. Слабість цього механізму в тім, що він хоча й ефективно протистоїть одиночним імпульсним впливам, не спрацьовує, коли потік забруднень не зменшується[1, c. 79-81].

Наступні механізми можна віднести до активних стабілізаторів стану. Активність їх полягає в тім, що зовнішній вплив включає програму, випливаючи якої система послабляє вплив збурювання. Серед таких механізмів основну роль грає негативний зворотний зв'язок (Ешбі, 1959). імпульс, що надійшов на вхід системи, пройшовши по ланцюзі зворотного зв'язку, складається зі зворотним знаком з наступним імпульсом, і початковий стан повністю або частково відновлюється. Нерідко таким механізмом постачені метаболічні системи неживої природи, що підтримують біля нульової оцінки балансове сальдо речовини або енергії: льодовики, безстічні озера, тепло нижньої атмосфери, атмосферна двоокис вуглецю (Крапівін і ін., 1982), солі, розчинені в морській воді (Лебедєв і ін., 1974).

Численні регулятори негативного зворотного зв'язку — основа гомеостатичних властивостей живих організмів, що дозволяють їм зберігати зміст води й безлічі хімічних речовин у тканинах, склад крові, температуру тіла й т.п. На рівні популяцій чисельність тварин регулюється зворотними зв'язками, що здійснюються, наприклад, у формі епізоотій, або зниження фертильності самок при перенаселенні. Біологічні механізми самоочищення води й ґрунти включаються як тільки надлишкове нагромадження якоїсь речовини послужить сигналом до спалаху розмноження бактеріальної флори, водоростей, безхребтових, грибів, що знищують додаткові кількості забруднювачів. Нормальна збалансованість економіки, побудованої на ринкових відносинах, базується на негативних зворотних зв'язках, головним чином на зв'язках між попитом і виробництвом товарів і послуг. Глобальні симптоми погіршення навколишнього середовища, що ведуть до екологічної кризи, позначають дію виниклої в нашім столітті негативного зворотного зв'язку в системі суспільство-природа, здатної загальмувати нерегульований іншими засобами технічний прогрес.

Негативний зворотний зв'язок — один з найбільш універсальних механізмів стабілізації стану, але за певних умов — ритмічному повторенні впливів і затримці в каналі зворотного зв'язку — він може перетворитися у свою протилежність і стать причиною розрегулювання й навіть руйнування системи. У природі така подія — більша рідкість. У техніку до них ставиться явище флатера (руйнування від вібрації) літаків або обвалення мостів від кроку солдатів, що йдуть у ногу.

Два інших типи зворотного зв'язку — позитивного й конкурентна зворотного зв'язку (Арманд, 1988) — більше відомі в ролі з рівноваги систем. Дійсно, системи з такими механізмами активно віддаляються від стану хиткої рівноваги й у загальному випадку не мають стійкого стану, визначеного внутрішніми зв'язками. Однак, як всі відкриті системи, вони здатні розвиватися лише в умовах припливу речовини й енергії з навколишнього середовища. Приплив ресурсів у заданий обсяг завжди обмежений. Цей "потовк" не дає системі зі зворотним зв'язком розвиватися безмежно, вона стабілізується як пружина, впершись в стіну. Якщо, звичайно, сам потік речовини або енергії не випробовує більших коливань. Подібним чином підтримується на максимальному рівні, що допускається запасами кормів, чисельність популяцій тварин, розмноження яких не залежить від щільності. Продукція й біомаса біоценозу загалом визначаються таким же механізмом. Схоже, до граничної ємності біосфери наближається чисельність людської популяції, хоча "потовк" сильно піднятий у зв'язку з успіхами науки й техніки.

На відміну від позитивного зворотного зв'язку конкретний механізм виводить до стану максимально припустимого розвитку не єдиного претендента, а одну із двох або декількох підсистем, що борються за перевагу. Природний вплив або свідоме керування можуть передати перевага іншій підсистемі, наприклад, іншому виду рослин, іншій фірмі й "перемкнути" систему з одного стійкого граничного стану в інше, рівнозначне[4, c. 38-40].

Висновки

Залежно від характеру й режиму взаємодії, стадії формування геосистеми є динамічними, нерівновагими або квазірівновагими системами з відкритими границями. Прикладом геосистеми може служити Кансько-Ачинський паливно-енергетичний комплекс (КАПЕК), народногосподарським призначенням якого є забезпечення енергією Півдня Сибіру за рахунок переробки вугіль. Спрямованість і інтенсивність впливу штучних об'єктів геосистеми визначаються поряд з народногосподарським призначенням КАПЕК характером навколишнього середовища, у першу чергу геологічного середовища, будовою й складом геологічних тіл, глибиною, умовами залягання, потужностями й властивостями шарів вугілля, їх обводненністю, складом, будовою й потужністю розкривних порід і ґрунтів. Перераховані особливості визначили видобуток вугілля відкритим способом, технологію їхньої переробки, методи відновлення (рекультивації) земель, що забезпечують можливість їхнього подальшого використання в сільському господарстві, технічні засоби ведення робіт, характер інфраструктури й допоміжних об'єктів. У свою чергу, впливи штучних об'єктів (кар'єрів, теплових електростанцій, підсобних виробництв, транспортних артерій і ін.) на навколишнє середовище проявляються у вилученні маси речовини (вугілля, підземна вода) з геологічного середовища, переміщенні речовини (розкривні породи, ґрунтовий шар, шлаки й зола й ін.), розсіюванні речовини з газами, що відходять, теплових електростанцій і скиданням забруднених вод, розсіюванні енергії (тепловий стік). Перетворення навколишнього середовища проявляються в зміні характеру й властивостей геологічних тіл (новостворені масиви відновлених земель), рельєфу, біологічної продуктивності природно-територіального комплексу, водного й хімічного балансу земної поверхні й ґрунтів, активізації ряду екзогенних геологічних процесів (ерозії, суфозії, заболочування й ін.).

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.