Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ГЕОМОРФОСИСТЕМ КАК БИНАРНЫХ СТРУКТУР, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ С НАСЫЩЕНИЕМ (НА ПРИМЕРЕ ГОРНОЛЕДНИКОВОГО БАССЕЙНА АКТРУ)

Кузнецов А.С. 1 Поздняков А.В. 1
1 ФГБУН Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск
Любая форма рельефа характеризуется гравитационно-энергетическим потенциалом (подсистема X(t)). Это обусловливает формирование в пределах данной подсистемы нового гравитационно-энергетического потенциала, предполагающего развитие рельефообразующих процессов и соответствующих им форм рельефа и образование подсистемы Y(X,t). Подсистема Y(X,t) играет роль обратной отрицательной связи, ингибирующей развитие процессов в подсистеме X(t), в результате такого взаимодействия достигается баланс (динамическое равновесие) в расходах вещества. На примере горноледникового бассейна Актру рассматривается функционирование бинарной геосистемы и особенности массообмена между подсистемами X(t) и Y(t). В ходе исследования было подтверждено, что саморегулирование в геосистемах косной среды, в частности и в геосистеме Актру, осуществляется за счет обратного влияния размеров геосистемы на поступление вещества на входе. В подсистеме Y(t) происходит аккумуляция значительной доли вещества, которая будет длиться до момента её насыщения.
самоорганизация
динамически равновесные величины
заданные и текущие состояния.
1. Богачкин Б.М. История тектонического развития Горного Алтая в кайнозое. ‑ М. : Наука, 1981. - 132 с.
2. Девяткин Е.В., Ефимцев Н.А., Селиверстов Ю.П., Чумаков И.С. Еще о ледомах Алтая // Труды комис. по изучению четвертичного периода. - 1963. - Т. XXII. - С. 64‑75.
3. Петкевич М.В. Физико-географические аспекты развития склоновых процессов в Центральном Алтае : дис. ... канд. географ. наук. - Томск, 1973. ‑ 180 с.
4. Поздняков А.В. Динамическое равновесие в рельефообразовании. - М. : Наука, 1988. - 208 с.
5. Поздняков А.В. Самоорганизующиеся бинарные структуры // Биниология, симметрология и синергетика в естественных науках : материалы V-й междунар. конф. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2007. - С. 29-35.
Есть достаточно оснований утверждать, что самоорганизующиеся системы, в самом широком смысле, развиваются и функционируют с насыщением. С насыщением развиваются системы, характеризующиеся предельным циклом, в основе которого лежат внутренние структурно-организационные противоречия. А они - суть бинарности самоорганизующихся систем, в них генетически заложено диалектически противоречивое, по существу субстанциональное единство двух начал, вместе предполагающих образование, существование и развитие структурных целостностей - систем (рис. 1) [4; 5].

Рисунок 1. Схема структурно-функциональных отношений бинарной геосистемы.

Опыт изучения самоорганизующихся геосистем, в частности геоморфосистем, показывает, что они представляют собой парные образования: если формируется система Х(t), то вместе с ней формируется и ее сателлит ‑ система Y(X,t). Для Y(X,t) система Х представляет собой экологическую емкость ‑ из нее поступает энергия, ею же определяются пространственные границы развития и время существования системы Y. Динамика системы, как бинарной структуры, осуществляется, с одной стороны, за счет поступления вещества и энергии из среды, а с другой ‑ вследствие обмена ими между составляющими ее подсистемами. Потоки энергии, вещества и информации (MEI), потребляемые системой X из среды, нами названы F-потоками, а объективно отдаваемые ее сателлиту ‑ системе Y D-потоками. Энергия в F-потоках («энергия для себя») используется для сохранения и функционирования самой системы X. Величина накапливаемыхв ней MEI ограничивается емкостью среды. Поэтому если в F-потоке расход Q(t)=const, то M(t)→0. Энергия в D-потоке - это «вынужденно» отдаваемая «энергия для сателлита», причем расход ее q(t,М)Max. Формирование геоморфосистемы (ГМС) «сателлит» является объективным, имманентным свойством всех самоорганизующихся систем. Появление ГМС, создаваемой F-потоком, неизбежно влечет появление ГМС «сателлит Y» и питающего ее D-потока MEI. Таким образом, любые самоорганизующиеся системы, включая и социально-экономические, можно рассматривать как бинарные структуры и характеризовать их динамику на основе балансовых отношений, известных как «ресурс-потребитель» или «хищник-жертва». По существу это закономерность всеобщего действия, согласно которой динамика систем описывается уравнением:

dM/dt=Q(M,V,t)q(M,t)+f(U),

где M - выходные характеристики системы, учитывающие суммарную аккумуляцию вещества и энергии, создаваемую системами X и Y; Q расход энергии в F-потоке; q - расход энергии в D-потоке, создаваемом системой Y; W емкость среды (экологическая емкость); t время; f(U) ‑ антропогенная функция управления.

Согласно этой закономерности, динамика геосистем осуществляется по логистическому закону. В упрощенном виде: если полагать, что предел насыщения системы известен (это могут быть задачи, связанные с динамикой продуктивности какой-либо системы при известной экологической емкости W), то возможно аналитическое решение уравнения динамики геосистемы.

Заданные и текущие состояния в динамике геосистем

Понятие «заданное состояние» введено в кибернетике. Оно характеризует состояние, которое некая саморегулирующаяся техногенная система в своей динамике должна достичь, при установленных начальных условиях поступления энергии. Динамика кибернетических и технических систем регулируется за счет определения величины рассогласования между заданным (ЗС) и текущим (ТС) состояниями.

Природные (в данном случае косные) системы, в частности ГМС, не имеют специальных регулирующих органов для определения величины рассогласования между ЗС и ТС. Функции регуляторов в них выполняют ее собственные морфометрические характеристики (высота H(t), объем V(t), площадь поверхности S(t) и пр.), в которых аккумулируются вещество и энергия [4; 5]. В динамике ГМС морфометрические характеристики оказывают обратное воздействие на входные характеристики, в частности ‑ на поступление вещества (объём материала, выводимого в сферу гипергенеза). Например, прирост высоты H(t) и объема V(t) горного массива, по мере их суммарного увеличения, приближается к нулю (так как существенно возрастает давление на нижележащие слои, и они выжимаются из-под гор). То же наблюдается в динамике поймы и прибрежной отмели водохранилищ: с увеличением размеров (высоты, ширины) их прирост приближается к нулю. Эта закономерность используется для прогноза динамики прибрежныхгеосистем.

Таким образом, саморегулирование во всех геосистемах косной среды осуществляется за счет обратного влияния своих собственных размеров на поступление вещества на входе.

В вышеприведенном уравнении слагаемые в правой части находятся в функциональной зависимости от самих регулируемых характеристик систем, и так как второе слагаемое всегда стремится по своей величине к первому слагаемому, то эта функциональная зависимость, выступая в качестве обратной отрицательной связи, ингибирует процесс - замедляет рост вещества, энергии и информации в системе, приводит их массу к некоторой динамически равновесной величине, мало меняющейся в течение времени. Система переходит в разряд самоорганизующихся, способных к увеличению своей упорядоченности за счет изъятия вещества, энергии и информации и порядка (негэнтропии) из среды.

В отличие от живых организмов, обладающих гомеостатическими свойствами, и от кибернетических систем, в которых имеются специальный регулирующий (управляющий) орган и орган, выполняющий функции задающего воздействия, т.е. определяющий количество поступающего и отводимого вещества (или энергии) в системе, в ГМС все эти функции выполняются взаимодействующими потоками F и D.

Заданными величинами, характеризующими геосистемы в стадии насыщения, являются характеристики размеров форм рельефа: высота (Нc,); площадь (Sc) поверхности; объемы (Vc) форм; ширина (Вс) подводного склона; крутизна (aс) склонов и пр. В графиках кривые одновременного и взаимосвязанного изменения расходов вещества и энергии, в зависимости от роста размеров форм рельефа, всегда пересекаются. Точка пересечения кривых указывает на равенство расходов вещества в F- и D-потоках (в состоянии насыщения), а проекция ее на абсциссу - на стационарную динамически равновесную высоту, или, пользуясь терминологией теории авторегулирования, заданную высоту в стадии насыщения, но задаваемую спонтанно складывающимися условиями развития геосистем. Роль задающего воздействия (т.е. какими морфометрическими характеристиками должны обладать геосистемы при данных расходах вещества и энергии в F- и D-потоках в стадии насыщения) могут играть различные эндогенные и экзогенные процессы, или импактные события.

Объект исследования

Примером функционирования подобного рода бинарной ГМС является горноледниковый бассейн Актру (Актру), расположенный в Юго-Восточном Алтае (Северо-Чуйский хребет). Общая площадь бассейна составляет 42 км2, площадь современного оледенения - около 16 км2. Средние углы наклона поверхности - 27°, для высокогорной части бассейна углы наклона поверхности возрастают до 45‑50°, а максимальные уклоны доходят до 60°.

Район проводимых нами исследований охватывает преимущественно высокогорную часть бассейна, и рассматриваются только верховья р. Актру, ограниченные замыкающим створом в конце долинного зандра. Горноледниковый бассейн имеет относительно замкнутую форму, что исключает транзит вещества через бассейн, а вынос материала осуществляется в основном водным потоком р. Актру.

Самоорганизация и развитие данной ГМС, как и всех других, осуществляется с насыщением, конечным состоянием которого является динамическое равновесие [4]. Четко выраженная направленность развития ГМС к динамическому равновесию достигается благодаря регулирующему действию обратных связей. Эту роль выполняют два показателя ГМС: ее собственные размеры (площадь, высота над базисной поверхностью, объем, масса и пр.) и емкость среды.

Обсуждение результатов

Системой X(t) в ГМС Актру является сам рельеф, формирование которого происходит за счёт эндогенного поднятия вещества земной коры - поступления MEI из среды в F-потоке. Одновременно с поднятием горного массива получают развитие процессы денудации, нивелирующие тектонические формы рельефа, т.е. происходит формирование парной системы «сателлита» Y(t) - в виде комплекса эрозионно-денудационных процессов. Основой функционирования системы Y(t) являются MEI, отдаваемые системой X(t) в D-потоке.

Характеристика системы X(t)

Формирование ГМС Актру начинается в эпоху тектонического поднятия на границе мелового периода и палеогена. В это время территория Горного Алтая представляла собой платообразную поверхность, поднятую на высоту около 500 м над ур.м. В конце мела начинается этап неотектонического развития Горного Алтая [1]. В эоплейстоцене происходит активизация эрозионных процессов, проявляющаяся в глубоком врезе речных долин. Это связано, по-видимому, с активизацией тектонических процессов на рубеже неоген-четвертичного периода, продолжающихся и по настоящее время [2]. Тогда же произошло заложение V-образной долины р. Пра-Актру, которая в дальнейшем испытала оледенение.

О современном поднятии осевой части хребта свидетельствует факт образования молодых террас в самых верховьях р. Актру ‑ высотой до 2,5 м. Возраст террас, судя по древесной растительности, поселившейся на них, около 200‑220 лет.

Таким образом, потоком F, формирующим систему, является эндогенный литопоток, характеризующийся следующими показателями: V - объем вещества земной коры на единицу площади, выводимый в сферу гипергенеза, м3/год; B - объем вещества земной коры, выведенный в сферу эрозионной деятельности, заключенный между поверхностью геоида и базисной поверхностью, м3 на единице площади (объем вещества, необходимый для самоорганизации эрозионных процессов); P - объем вещества земной коры, выведенный в сферу гипергенеза на единицу площади, м3 ‑ объем, заключенный между базисной поверхностью и вершинной; определяется вычитанием из общего объема (V1) объема всех долин и впадин (V2): P=V1-V2. Это объем вещества, необходимый для самоорганизации пространственного перераспределения продуктов выветривания денудационными процессами.

Согласно нашим расчётам, объем вещества, сосредоточённый между базисной поверхностью и поверхностью геоида, в ГМС Актру составляет 2,06 км3/км2. Общий же объём горных пород, выведенный в сферу эрозионной деятельности, заключенный между поверхностью геоида и базисной поверхностью (B), составляет 86,52 км3 - это объем вещества, необходимый для самоорганизации эрозионных процессов.

Деятельный объём вещества, выведенный в сферу эрозионной переработки (P), заключённый между вершинной и базисной поверхностью, для горноледникового бассейна р. Актру составляет 38,09 км3 ‑ это объем вещества, необходимый для самоорганизации пространственного перераспределения продуктов выветривания денудационными процессами. На 1 км2 в среднем приходится 0,9 км3 горных пород, выведенных в сферу гипергенеза. Следовательно, с учетом скорости тектонического поднятия осевой части горного узла Биш-Иирду (1,5‑2 см/год), ежегодно в область гипергенеза за счет эндогенного (F) литопотока поступает до 630 000 м3 вещества (расход вещества Q).

Характеристика системы Y(t)

Как было отмечено выше, с формированием системы X(t) происходит формирование и системы сателлита - Y(t), представляющей собой комплекс процессов, определяющих выравнивание приподнятой поверхности.

Основным потоком MEI, формирующим систему Y(t), является D-поток. Эрозионно-денудационные процессы характеризуются объемом расхода вещества, удаляемого с единицы площади (м3/год), который определяется как произведение мощности m денудируемого слоя на площадь S поверхности рельефа: Q=mS/cosa.

Относительная «изолированность» бассейна от стороннего привноса вещества из смежных областей позволяет определить величину общей денудации рельефа путём исследования твёрдого стока р. Актру. Суммарный объём материала, поступающий в систему Y(t) в F-потоке, в течениегода в среднем составляет около 151 000 м3.

Анализируя величины стока взвешенных наносов р. Актру на выходе из системы, можно определить расход вещества в D-потоке системы Y(t), который будет характеризовать динамику процессов целостной бинарной ГМС Актру. В результате исследований нами был определён среднемноголетний сток взвешенных наносов на выходе из системы, переносимых водным потоком р. Актру; объем стока составляет около 84 000 м3/год.

Таким образом, можно сделать вывод, что в системе Y(t) происходит аккумуляция значительной доли вещества, которая будет длиться до момента насыщения системы. Данный факт подтверждается занесением прикорневой части деревьев, произрастающих в пойме р. Актру. Величина занесения составляет в среднем 30‑40 см. С использованием дендрохронологических датировок определено, что активизация современной аккумуляции происходит с начала 1900-х гг., т.е. с окончания малого ледникового периода; именно в эти годы отмечается резкое падение приростов древесины лиственниц, произрастающих в пределах поймы, по сравнению с другими областями ГМС Актру (рис. 2).

Данный факт исключает реакцию на климат. Пики падения прироста отмечаются в 30-х, 60-х и 70-х гг. XX в., впоследствии синхронность прироста древесины на пойме и в других местах ГМС Актру восстанавливается вплоть до начала XXI в.

Рисунок 2. Индексы радиального прироста лиственницы, произрастающей на склонах (пробная площадь № 4 - пп № 4 л) и в пойме р. Актру.

Учитывая объёмы выносимого материала водным потоком р. Актру и материала, поступающего со склонов, определяем скорость денудации рельефа горноледникового бассейна: она составляет около 2‑3 мм/год, что согласуется с общей величиной денудации для всего Горного Алтая, приводимой в работах М.В. Петкевич (1‑3 мм/год) [3].

Выводы

Таким образом, наши исследования подтверждают, что саморегулирование в геосистемах косной среды, в частности и в ГМС Актру, осуществляется за счет обратного влияния размеров геосистемы на поступление вещества на входе. В подсистеме Y(t) происходит аккумуляция значительной доли вещества, которая будет длиться до момента насыщения системы.

Современное развитие ГМС Актру происходит на фоне активного поступлении MEI в эндогенном (F) потоке в систему X(t). Учитывая скорость денудации рельефа горноледникового бассейна и параметры расхода вещества в D-потоке на выходе из бинарной структуры ГМС Актру, констатируем, что наблюдается значительная доля аккумуляции вещества в системе Y(t). Характерной реакцией на аккумуляцию вещества в системе Y(t) является занесение прикорневых частей деревьев, произрастающих в пределах долинного зандра Актру. Динамика накопления материала составляет в среднем 3‑4 мм/год.

Рецензенты:

  • Евсеева Н.С. д.г.н., профессор, зав. каф. географии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск.
  • Дюкарев А.Г. д.г.н., зав. отделением Экологических исследований ФГБУН ИМКЭС СО РАН, г. Томск.
  • Халтурин В.Г., д.т.н., профессор кафедры ООС, Пермский национальный исследовательский политехнический университет Министерства науки и образования РФ, г. Пермь.

Библиографическая ссылка

Кузнецов А.С., Поздняков А.В. ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ГЕОМОРФОСИСТЕМ КАК БИНАРНЫХ СТРУКТУР, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ С НАСЫЩЕНИЕМ (НА ПРИМЕРЕ ГОРНОЛЕДНИКОВОГО БАССЕЙНА АКТРУ) // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5901 (дата обращения: 15.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074