Основні закономірності функціональної динаміки

Як уже було сказано, під функціональною динамікою геосистеми розуміється сукупність процесів трансформації, переміщення речовин та енергії в її вертикальній структурі. В результаті цього геосистема здійснює ряд функцій – продукує органічну речовину, забезпечує вологообмін, газообмін, круговорот речовин тощо. Аналіз динамічних процесів геосистеми можливий у двох основних аспектах. Перший має на меті встановити часові закономірності протікання процесу, другий – виявити його механізм, внутрішню структуру.

Часові закономірності процесів.При аналізі часових закономірностей протікання процесу визначається його певна характеристика (змінна) і деякий часовий інтервал фіксуються її значення. Наприклад, при аналізі біопродуційного процесу геосистеми вимірюється жива фітомасі протягом року, при дослідженні процесу галоморфізації геосистеми – запас солей у грунті за кілька років тощо. Основними часовими закономірностями процесу, які необхідно встановити, є: наявність тренду, ритмічності, циклічності, періодичності процесу, його частота, тривалість періоду, величина амплітуди та деякі інші характеристики. При аналізі кількох процесів або різних характеристик одного процесу необхідно виявити їх корельованість у часі, наявність ефектів інерційності, синхронності.

Періодичним є процес, при якому однакові значення його характеристики повторюються через однакові проміжки часу, які називаються періодом. У геосистемах більшість процесів квазіперіодичні, для яких характерна повторюваність однакових значень характеристики не через строго один інтервал часу (наприклад рік), а через більш-менш однакові його проміжки. Квазіперіодичними процесами в геосистемах є зміна температури поверхневих горизонтів грунту (період – одна доба), хід середньодобових температур повітря (період – один рік).

Циклічність процесу полягає в повторенні однакових значень характеристики через будь-який часовий інтервал (в геосистемах – життєві цикли рослин, тварин, цикли ерозії В.Девіса тощо).

Ритмічність полягає в повторенні системою станів, близьких, але не ідентичних початковому, через деякі, не обов’язково близькі, проміжки часу. Ритмічною є динаміка чисельності популяцій, зв’язаних відношенням хижак – жертва, деякі екзогенні рельєфоутворюючі процеси та нагромадження пухких відкладів мають риси ритмічності.

Тренд процесу полягає у в цілому спрямованій зміні характеристики у бік зростання або зменшення її значень з часом. Наявність тренду може свідчити про еволюційність змін геосистеми.

Часто основна часова закономірність процесу затушована накладеними на неї короткоперіодичними або флуктуаційними змінами. Щоб виявити тренд або довго частотну квазіперіодичність процесу, необхідно виконати математичну обробку динамічних рядів. Методами згладжування рядів або їх фільтрації можна позбавитись мало суттєвих особливостей динаміки процесу та виявити основну домінуючу його тенденцію. За цією тенденцією динамічні процеси умовно поділяють на три групи – періодичного, перехідного та деструктивного (еволюційного) типів (рис.35).

Процеси періодичного типу (рис. 35,а) не призводять до суттєвих змін геосистеми, забезпечують її стійкість. Перехідні процеси, для яких характерна фаза затухання, свідчать про перехід геосистеми з одного стану рівноваги до іншого, або про відновлення геосистеми після збурення (рис. 35,б). Такий характер, зокрема, має процес де гуміфікації геосистем – одразу після розорання цілини щорічні втрати гумусу внаслідок мінералізації становлять значну величину, а через деякий час (30-40 років) зменшуються і вміст гумусу стабілізується, але на нижчому рівні (Г.В.Добро вольський, Л.О.Гришина, 1985). Процеси деструктивного типу (рис. 35,в) не затухають з часом, що призводить до руйнації структури зв’язків геосистеми, її заміни іншою. Якщо процес описується експоненційною функцією, він здебільшого катастрофічний. Але в природі процеси такого типу тривають недовго і з часом затухають.

При аналізі взаємозв’язків кількох процесів часто виявляється ефект інерційності – затримка реакції одного з процесів на дію іншого. Так, поверхневий стік виникає не одразу після дощу, а через деякий час.

Максимум сонячної радіації спостерігається в червні, а найвищі температури повітря запізнюються відносно нього на кілька десятків днів, а глибоких шарів грунту – на кілька місяців. При цьому коливання затухають і амплітуда їх зменшується.

Аналіз механізму процесу. Кожний процес може бути “розкладений” на сукупність простіших процесів та умов, що їх визначають, і протікає не при будь-яких можливих відношеннях між ними, а лише при строго відповідних зв’язках. Ці зв’язки інтегрують елементарні процеси, їх наслідки та умови протікання у функціональну структуру, існування якої й забезпечує деякий інтегральний процес (волого обіг, засолення геосистем, продуційний процес тощо). Для кожного процесу характерна власна структура (див. рис. 7, 9, 10), проте можна запропонувати загальний підхід до аналізу таких структур. Він грунтується на понятті елементарного ландшафтно-екологічного процесу. Під ним розуміється процес, внутрішній механізм якого для даного дослідження значення не має і який у загальне функціонування геосистеми входить як умова забезпечення складніших процесів. Утакому розумінні поняття елементарного процесу широко використовується в ґрунтознавстві (І.П.Герасимов, М.А.Глазовська, М.Ф.Козловський та ін.), геофізиці ландшафту (Н.Л.Беручашвілі, 1989), інженерній геології (В.С.Сергєєв, 1985) та інших природничих науках.

Взаємодія певних елементарних ландшафтно-екологічних процесів у відповідних умовах зумовлює деякий складніший процес, який, у свою чергу, може взаємодіяти з іншим і зумовлювати процес ще більшої складності. Виходячи з цього, структуру інтегрального ландшафтно-екологічного процесу можна представити у вигляді графу-дерева, елементами якого є простіші процеси та їх умови, а вершиною (“коренем дерева”) – кінцевий інтегральний процес.

Ефективним методом аналізу таких структур є метод “дерев подій” (англ.. – fault-tree method),розроблений Х.А.Уотсоном для оцінки надійності системи запуску ракет “Ninitment”. Згодом цей метод широко використовується і при дослідженні систем іншої природи. Його інтерпретація до аналізу функціональної динаміки геосистем зводиться до побудови “дерева процесів”, у якому окремі елементарні процеси та умови, що визначають можливість їх виникнення, з’єднуються логічними операторами “АБО” та “І”.На рис. 36 наведено спрощену структурну схему процесу забруднення ґрунтових вод геосистеми при опадах (повна схема включає 61 процес).