Барьеры в географической оболочке

Барьерами называют участки географической оболочки, которые оказывают существенное влияние на поля и потоки вещества и энергии, задерживая, трансформируя, усиливая или ослабляя их. Барьеры — характерная черта окружающего мира. Повышенная концентрация некоторых типов вещества на барьерах представляет особый интерес и стимулирует их изучение.

По своей природе барьеры можно подразделить на механические, физико-химические, биогеохимические и техногенные (рис. 6.9).

Механические барьеры разрушают географический объект или препятствуют его распространению. Например, горные системы (Анды, Кордильеры, Гималаи, Альпы, Кавказ, Урал и др.) представляют наиболее масштабные и заметные естественные барьеры. Такие барьеры трансформируют воздушные массы (что проявляется в увеличении количества осадков на наветренном склоне гор и уменьшении — на подветренном), расчленяют почвенно-растительный покров, определяют тепловой режим территории (вследствие разной экспозиции склонов). Любое, даже незначительное повышение рельефа изменяет скорость ветра, что в свою очередь обусловливает перераспределение снега. По отношению к водным потокам, препятствиями являются не только повышения, но и понижения рельефа: водный поток, дойдя до понижения, меняет свое направление и начинает двигаться вдоль него. Осевые линии горных хребтов и даже водораздельные линии пологих междуречий вынуждают выпадающие атмосферные осадки растекаться в противоположные стороны.

Рис. 6.9. Геохимические барьеры (по А.И.Перельману): 1 — механические; 2 — физико-химические; 3 — биогеохимические; 4 — техногенные; 5 — глубина проникновения кислородных вод в литосферу, зависящая от климата и геологического строения; А — кислородные; В, С — восстановительные барьеры, приуроченные к границе проникновения кислородных вод в литосферу. Цифра справа от буквы обозначает класс вод (3 — нейтральный, 6 — кислый)

Физико-химические барьеры изменяют свойства контактирующих объектов, вызывая эмерджентность (например, смешение различных воздушных масс в зоне атмосферного фронта) или препятствуя обмену между веществом и энергией вследствие их различий (запрещенный парагенезис). Среди физико-химических барьеров наиболее заметны геохимические барьеры — участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит смена природной обстановки с изменением свойств среды (окислительная — восстановительная, кислая — щелочная и др.), что определяет интенсивность миграции химических элементов и их возможные концентрации. Нередко на барьерах формируются месторождения полезных ископаемых (железа, марганца, серы и др.). Изучение геохимических барьеров помогает понять закономерности размещения полезных ископаемых и распространения загрязнителей.

На земной поверхности широко распространены биогеохимические барьеры (кислородные, глеевые, сероводородные и др.), связанные с соответствующими средами в географической оболочке.

До появления зеленых растений свободного кислорода на Земле не было, отчего геохимическая обстановка носила восстановительный (глеевый) характер: железо и марганец легко мигрировали, в почве и коре выветривания развивались процессы оглеения, отмершее органическое вещество захоронялось, не окисляясь.

С появлением зеленых растений (примерно 3,5 млрд лет назад) атмосфера обогатилась свободным кислородом, который окислял железо и марганец и переводил их в труднорастворимые соединения. Восстановительная обстановка переместилась в болота тундры, тайги и влажных субтропиков, в илы озер и глубокие горизонты подземных вод. В краевых частях болот и местах разгрузки глубинных глеевых вод возникал окислительный (кислородный) барьер. Если же кислородные воды встречали на своем пути глеевую обстановку, то создавался восстановительный барьер, где накапливались ванадий, селен, молибден и другие элементы, восстановленные формы которых обладают плохой растворимостью.

Сероводородная восстановительная среда характерна для солончаков и илов соляных озер степей и пустынь, а также для глубоких горизонтов подземных вод некоторых районов. При попадании кислородных и глеевых вод в сероводородную обстановку формируется сероводородный восстановительный барьер. Для него характерна аккумуляция металлов (железо, медь, цинк, свинец и др.), образующих нерастворимые сульфиды.

Возникновение барьеров связано также с щелочно-кислотными условиями, которые определяются концентрацией ионов водорода в воде. При большой величине рН формируются щелочные барьеры, на которых аккумулируются преимущественно катионогенные металлы. При малой величине рН образуются кислые барьеры, на которых накапливаются анионогенные элементы (неметаллы и некоторые металлы).

Техногенные барьеры отражают результат антропогенного вмешательства и представлены плотинами, дамбами и другими объектами.

Барьеры возникают также при смене типов подстилающей поверхности (смена суши морем и наоборот, степной растительности — лесной, орошаемого поля — неорошаемым и др.), которая приводит к трансформации и изменению структуры ландшафтов.

Специфическим барьером является экватор — невидимая граница, от которой отклоняющая сила вращения Земли (сила Кори-олиса) направлена в разные стороны: в Северном полушарии — вправо, в Южном — влево.

Роль естественных барьеров в органическом мире. Биота наиболее чувствительна к изменчивости окружающей обстановки. Географическое распространение видов тесно связано с их экологической пластичностью. На пути неограниченного увеличения численности популяций и стремления расширить ареал встают внешние факторы: географические, экологические и биологические, которые могут представлять для биоты естественные барьеры.

В качестве географических факторов выступают крупные элементы строения земной поверхности, играющие роль преград на пути расселения организмов. Для сухопутных растений и животных такими преградами являются горные хребты, океаны и моря, проливы. Для водных организмов барьером служат обширные пространства суши или опресненные участки в морях и эстуариях.

Физико-химические параметры внешней среды, играя роль экологических факторов, в то же время могут выступать в качестве крупных естественных барьеров. Биологические виды тропических лесов, живущие в условиях теплого и влажного климата, не переходят в жаркие и сухие пустыни. Преградой на пути распространения деревьев на север в основном является изотерма самого теплого месяца в 10 "С. Ниже этой температуры деревья, как правило, расти не могут, что является одной из причин безлесья тундры. Аналогичные барьеры можно встретить в океане, где они носят названия гидрологических фронтов, определяемых по распределению температуры воды, солености и других элементов. Многие промысловые объекты (сайра, скумбрия и др.) скапливаются именно вблизи океанических фронтов или мигрируют вдоль их границ, придерживаясь определенной изотермы.

В роли биологических факторов выступают видовые, главным образом конкурентные отношения и хищничество (например, на мидиевых или устричных плантациях, когда моллюски противостоят агрессии со стороны морских звезд).

Ряд природных барьеров организмы преодолевают, другие — нет. Преодоление естественных барьеров происходит за счет повышения сопротивляемости организма, его адаптации (например, клопа к дусту), физического разрушения препятствия. Установлено, что мигрирующие на нагул или нерест рыбы (сайра, дальневосточные лососи) часто «ждут» благоприятной океанологической или астрономической ситуации перед проливом или гидрологическим фронтом, чтобы войти в «свой» район или пересечь фронтальную зону.

Ландшафтные системы

Ландшафт — одно из фундаментальных понятий современной географии, в основе которого лежит идея о взаимосвязи и взаимообусловленности всех природных явлений земной поверхности. Формы рельефа, горные породы, климаты, поверхностные и подземные воды, почвы и сообщества организмов взаимосвязаны как в своих пространственных изменениях, так и в историческом развитии. Они образуют отнюдь не случайные сочетания, а закономерные природные (территориальные или аквальные) комплексы. Эти комплексы являются результатом процессов, происходящих в конкретных ландшафтных системах разного ранга. Каждая ландшафтная система — своего рода «фабрика», которая производит физико-географические продукты: почву, кору выветривания, фито- и зоомассу, грунтовый и речной стоки и другие компоненты. Она поглощает солнечную радиацию и трансформирует ее в энергию природных процессов, осуществляет влагообмен, разрушение и минерализацию органического вещества и многие другие процессы.

Наиболее полный набор ландшафтных компонентов имеют наземные и земноводные ландшафты. В ледовых ландшафтах при почти полном отсутствии минеральных веществ мало возможностей для развития органической жизни. Ландшафты поверхности океана (в верхнем 200-метровом слое воды и приводном слое атмосферы) отличают особые условия: отсутствие фиксированной поверхности и почвенного покрова, высокая динамичность за счет морских течений, волн и ветра, обусловливающих постоянную смену водных масс, специфическая флора и фауна, и др. Не менее специфичны подводные (донные) ландшафты, особенно расположенные глубже 200—300 м. Свет почти не проникает на такую глубину, поэтому на дне моря отсутствует или очень замедлен фотосинтез, и почти не продуцируется органическое вещество. Жизнь здесь представлена консументами (зоопланктон, зообентос, нектон) и бактериями, которые питаются в основном мертвым органическим веществом, поступающим из поверхностных слоев океана.

Климатические и гидрологические элементы определяют мобильность наземных ландшафтов, выполняют обменные и транзитные функции. Они связывают данный ландшафт с другими ландшафтными системами, а также с внешними средами: атмосферой, гидросферой и литосферой. Под влиянием воздушных и водных потоков границы ландшафтов приобретают некоторую расплывчатость. Биотические компоненты также выполняют функцию переноса вещества и энергии, но их значение проявляется главным образом в процессах избирательного поглощения и накопления химических элементов, создании и разрушении органического вещества, в фазах жизненного цикла организма.

Функции и значение компонентов ландшафта различны, но в то же время все компоненты равноценны. В.Н.Солнцев сформулировал принцип равной важности ландшафтных компонентов: «У каждого компонента неповторимая биография и уникальная специальность в ландшафте». Иногда в формировании конкретного ландшафтного комплекса приоритет принадлежит одному из факторов: климатогенному, тектоногенному, вулканогенному, криогенному, эоловому, биогенному и др. Например, тектоногенный ряд включает такие классы ландшафтов, как горные, предгорные, равнинные, межгорных котловин и др. Особое место занимает ряд антропогенных ландшафтов: сельскохозяйственный, горно-про-мышленный и др.

Каждый ландшафтный компонент развивается по своим законам, образуя собственные кванты в пространстве. Например, многие явления в атмосфере и океане (циклоны, антициклоны, смерчи, бризы) по своей природе различны (разные пространственно-временные масштабы, географические последствия), но взаимосвязаны через круговорот воды и оказывают совместный эффект на ландшафт. Несмотря на развитие по собственным законам, геокомпоненты не могут существовать вне ландшафтных систем и вне связей с другими компонентами. Пространственное и временное сосуществование и наложение разномасштабных тел и сред (процессов и явлений) приводят к возникновению ландшафтных систем, которые не отрицают ни один из законов развития каждого геокомпонента, но усложняют структуру взаимодействий и обусловливают появление новых, собственно географических закономерностей. С увеличением размеров ландшафтные системы становятся менее однородными.

Приспособление геокомпонентов в рамках ландшафтных систем происходит вероятностно-статистическим путем. В каждый момент времени характеристики ландшафтных компонентов могут принимать различные значения: постоянно изменяются температура и влажность воздуха, скорость ветра, состояния грунта и другие параметры среды. Вследствие «притирки» разномасштабных компонентов формируется интегрированная ландшафтная структура, инвариантная в довольно широком диапазоне изменений внешней среды. Несмотря на выраженную изменчивость средо-образующих факторов, главные компоненты ландшафтов — почва, растительность, рельеф, геохимическая обстановка — сохраняются на протяжении долгого времени.

Состояние ландшафтов. Ландшафтные системы находятся в определенном состоянии, которое описывают набором характеристик: температура и влажность воздуха, почвы, фенологические фазы доминирующей флоры, наличие или отсутствие снегового покрова и др. Параметры, характеризующие состояния ландшафтов, можно условно подразделить на две категории: средообразующие (воздух, вода, горные породы, биота) и остальные компоненты, определяющие характер протекания физико-географических процессов в данной обстановке. Состояние ландшафта зависит от свойств и элементов комплекса, сохраняющихся на протяжении конкретного отрезка времени.

Состав ландшафтов. Ландшафтные системы образуют ландшафтную сферу — часть географической оболочки, в которой наиболее активно взаимодействуют геосферы. Эта часть соответствует приповерхностному слою мощностью до первых сотен метров.

В географической оболочке ландшафтные системы образуют закономерные комбинации. Их чередование в пространстве связано с многими факторами: горными породами, рельефом, атмосферной и океанической циркуляцией, условиями поступления тепла и влаги, геохимической обстановкой и др. Например, водно-тепловой режим определяет главные закономерности распределения зональных типов ландшафтов. Средообразующие факторы, влияя на ландшафты, сами в той или иной степени являются продуктами их функционирования. Горные породы выполняют в ландшафте роль материальной основы. Скорость преобразования горных пород вследствие выветривания, денудации, метаморфизации, дезинтеграции, по сравнению с преобразованием других компонентов, невелика. Поэтому горные породы препятствуют быстрому изменению свойств ландшафта. Вместе с рельефом, который также медленно меняет свои характеристики, горные породы придают ландшафтам фиксированное положение и пространственную обособленность, связывая их с геологическим прошлым данной территории. У молодых ландшафтов зависимость от горных пород наиболее заметна. По мере развития ландшафта происходит формирование почв и коры выветривания, которые отражают условия тепло- и влагообмена, характер биогенной аккумуляции и другие процессы и явления, проявляющиеся на данном участке. Почва и кора выветривания как бы изолируют ландшафт от материнской породы, нивелируя его зависимость от нее.

Динамика ландшафтов обусловлена потоками вещества и энергии, которые объединяют компоненты ландшафта и его морфологические части (фации, урочища и др.) в единую систему. Совокупность процессов обмена и преобразования энергии и вещества в ландшафте называют функционированием ландшафта.

Ландшафт непрерывно изменяется. Некоторые изменения обратимы, цикличны и не приводят к преобразованию структуры ландшафта (например, сезонные ритмы). До тех пор пока подобные изменения повторяются из года в год, структура ландшафта остается неизменной. Такие динамические изменения подчеркивают устойчивость ландшафта, ибо свидетельствуют о его способности возвращаться к прежнему состоянию. Наряду с этим возможны эволюционные (необратимые) изменения, которые составляют сущность развития ландшафта и выражаются в перестройке его структуры.

Устойчивость ландшафта относительна, так как он развивается непрерывно, но с разной скоростью, и нужен более или менее длительный срок, чтобы его трансформация стала заметной. Развитие ландшафта могут стимулировать как внешние причины (тектонические движения, глобальные климатические изменения), так и внутренние (саморазвитие, в механизме которого особую роль играет эволюция растительного покрова и его взаимодействие с абиотическими компонентами). Устойчивость и изменчивость — два диалектически взаимосвязанных свойства ландшафта, познание которых имеет исключительно важное значение для прогнозирования развития ландшафта. Всем ландшафтным системам присущи ритмические колебания различной продолжительности.

Систематизация ландшафтов. В географии существуют два подхода к систематике ландшафтов. Один из них подсказывает сама иерархичность геосистем — это переход от ландшафта к укрупненным территориальным системам более высоких рангов — физико-географическим регионам того или иного порядка (областям, зонам, странам и др.). Такой подход называется физико-географическим районированием. При районировании не обязательно, чтобы объединяемые ландшафты были сходными. Главным критерием служит не сходство, а связь, пространственные отношения, территориальное единство составных частей и общность их исторического развития.

Другой подход — это объединение объектов по признакам качественного сходства, т.е. типологическая классификация. В такой системе сходство сохраняется на всех ступенях систематизации — типах, классах, видах и др. Различие будет лишь в степени этого сходства: общих признаков на низших ступенях больше, на высших — меньше.

При классификации ландшафтов, как и других объектов, неизбежно приходится выбирать общие признаки, отказываясь от особенностей каждого из них. При районировании на первый план выходит индивидуализация — каждый регион уникален, неповторим, и чем он сложнее, тем уникальнее. Каждому физико-географическому региону присваивается собственное название. Типологические же объединения ландшафтов не могут иметь собственных названий, это собирательные понятия.

Как в районировании, так и в типологии отражаются, хотя и по-разному, универсальные географические закономерности, которым подчинена ландшафтная дифференциация. В ландшафтной оболочке все природные процессы подчинены зональности, вследствие чего ландшафтная оболочка дифференцируется на систему региональных единиц высокого ранга — ландшафтных зон и подзон (часто выделяют еще более крупные широтные подразделения — физико-географические пояса: арктический, умеренный, субтропический и др.).

Другая универсальная закономерность ландшафтной оболочки — секторность, обусловленная взаимодействием океанов и материков. От соотношения океанических и континентальных воздушных масс зависит степень континентальности климата.

Гипсометрическое положение (высота территории над уровнем моря), крупные формы рельефа, петрографический состав горных пород, характер новейших и современных тектонических движений — все это создает наибольшую пестроту и контрастность в ландшафтной структуре. Подобные проявления часто называют азональными. Они лежат в основе выделения многих ландшафтов и таких региональных систем высокого ранга, как физико-географические страны. Каждая физико-географическая страна четко выделяется в орографической схеме материка, отличается строением фундамента, макрорельефом, климатическими особенностями, зональной структурой, а горные страны — еще и высотной поясностью.

Единицы ландшафтного подразделения. Классификации ландшафтных систем различны и многоуровенны и содержат известную долю субъективизма по числу выделов и терминологии.

Структура ландшафтов. Ландшафтные системы (ландшафты) представляют один из видов геосистем. Они характеризуются относительно однотипными взаимодействиями компонентов. В сложной иерархии геосистем различают три главных уровня:

1. Локальный уровень образуют геосистемы, формирование которых связано с местными факторами (например с отдельными элементами рельефа), имеющими небольшой радиус действия. Элементарная ландшафтная система и неделимая географическая единица называются фацией. Для фации характерна высокая однородность условий местоположения и местообитания (площадка одного склона с одинаковым уклоном, ровная междуречная поверхность, западина и др.), однородный микроклимат и водный режим, одна почвенная разность, один биоценоз. Она охватывает пространство от первых десятков метров в поперечнике до нескольких сотен метров.

Фации группируются в более сложные территориальные системы, которые при дальнейшей последовательной интеграции достигают принципиально нового уровня. Совокупность фаций, приуроченных к мезоформе рельефа, образует урочище. Примерами урочищ могут служить небольшой овраг, фации которого — два склона разной экспозиции и днище оврага, водораздельная поверхность между долинами небольших рек, берега морской бухты.

Урочища объединяются в местности, имеющие в поперечнике от нескольких тысяч метров до первых десятков километров. Они соответствуют комплексам преимущественно положительных или отрицательных форм рельефа (равнина, возвышенность).

Фация, урочище и местность — это единицы внутриландшафтного подразделения.

2. Региональный уровень образуют региональные системы (физико-географические районы, округа, провинции, области, подзоны, зоны), которые формируются в результате влияния факторов с более широким радиусом действия. Это неравномерное (по широте) распределение на земной поверхности солнечной радиации и тектонических движений, создающих многообразные структуры земной коры и формы макрорельефа (материковые выступы и океанические впадины, горы и равнины и др.).

3. Глобальный уровень представлен ландшафтной оболочкой, которая охватывает взаимопроникающие и постоянно взаимодействующие тропосферу, гидросферу, верхние слои литосферы и биосферу. Геосистемы регионального и локального уровней служат структурными частями ландшафтной оболочки.

Процессы, происходящие в ландшафтных комплексах низшего ранга (фациях и урочищах) интегрируются в пространстве по определенным законам, результатом чего являются процессы, характерные для более крупных систем (округов, областей, провинций, зон) и географической оболочки в целом. Поэтому знание процессов в локальных геосистемах необходимо для понимания планетарных процессов.

Классификация естественных ландшафтов (по А. Г. Исаченко) основана на сравнении их по многим критериям — генезису, структуре, функционированию, ландшафтообразующим факторам. Важнейшие функциональные черты ландшафтов (влагооборот, почвообразование, продуцирование биомассы, биогенный круговорот веществ, сезонная динамика и др.) определяются количеством тепла и влаги. Поэтому наиболее общие признаки ландшафтов, которые могут служить основанием для их объединения в высшие классификационные категории — типы ландшафтов, обусловлены сходством соотношений тепла и влаги. Распространение одних типов ландшафтов строго ограничено определенными секторами, другие имеют свои аналоги в различных секторах. Между типами ландшафтов, с одной стороны, и ландшафтными зонами и секторами — с другой, существует определенное соответствие. Обычно ландшафты разных типов сменяются постепенно, образуя на контакте переходы. Поэтому в качестве следующей классификационной ступени выделяются подтипы ландшафтов, имеющие подзональный характер. На следующей ступени классификационным критерием служит гипсометрический фактор, на основании которого выделяют классы ландшафтов, соответствующие двум главным высотным уровням — равнинному и горному. Классы ландшафтов подразделяются на подклассы, которые более детально отражают ярусную дифференциацию ландшафтов, постепенную трансформацию типичных зонально-секторных признаков с возрастанием высоты над уровнем океана. На нижних ступенях ландшафтной классификации определяющим критерием служит фундамент ландшафта — его структурные особенности, состав горных пород, формы рельефа. Через фундамент раскрываются и существенные генетические черты ландшафта. Учет этого критерия позволяет выделить наиболее дробные классификационные подразделения — виды ландшафтов. Ландшафтам одного вида присуще наибольшее число общих признаков, максимальное сходство в генезисе, характере компонентов, структуре, морфологии. Видовые признаки ландшафтов крайне многообразны. Конечными объектами описания чаще служат не виды ландшафтов, а их объединения, генерализованные в зависимости от изученности, характера распространения и др. Условно их называют группами ландшафтов. Согласно А. Г. Исаченко, на Земном шаре их число составляет более 600.

Среди других ландшафтных классификаций следует упомянуть 12-ступенную систему В. А. Николаева и классификацию Ф. Н. Милькова.

В качестве классификационных предлагаются и другие выделы в ландшафтных системах — природно-территориальные и природно-аквальные комплексы, иногда называемые также геокомплексами, со своим набором иерархических подразделений.

Классификация антропогенных ландшафтов. В настоящее время собственно природных ландшафтов осталось мало, большая их часть образовала антропогенные модификации, которые обычно называют природно-антропогенными ландшафтами. Согласно А. Г. Исаченко, современные ландшафты по степени изменения структуры естественных ландшафтов производственной деятельностью человека можно разделить на 6 основных групп:

6) практически неизмененные природные ландшафты (неэксплуатируемые леса и луга, ледники, полярные пустыни, высокогорные экстрааридные пустыни, многие заповедные ландшафты и др.);

7) слабоизмененные ландшафты, в которых основные природные связи не нарушены (рационально эксплуатируемые леса, пастбища, водоемы, национальные парки и др.);

8) нарушенные ландшафты вследствие длительного нерационального использования первичных ландшафтов (вторичные обедненные леса, мелколесья и кустарники, а также участки саванн, степей, лесостепей, полупустынь и пустынь, которые появились в результате подсечно-огневой и переложной систем земледелия, перевыпаса скота и др.);

9) сильно нарушенные ландшафты, или антропогенный бедленд, возникший в условиях неустойчивого равновесия природных процессов (эрозионный бедленд — участки катастрофического развития эрозионных процессов, антропогенный карст, участки вторичного засоления и заболачивания, заброшенные горные выработки и отвалы и др.);

10) преобразованные или культурные ландшафты (поля, сады, плантации многолетних культур, сеяные луга, лесонасаждения, оазисы в пустыне, зоны отдыха и др.), в которых природные связи целенаправленно изменены и эти изменения постоянно поддерживаются человеком путем различных мелиоративных работ, агротехнических приемов и др.);

11) искусственные ландшафты, созданные человеком на природной основе (города, села, промышленно-энергетические и транспортные узлы, наземные коммуникации, горные выработки, плотины, каналы и др.).