4 года назад
Нету коментариев

Выше были рассмотрены основные циклы движения в географической оболочке, различающиеся прежде всего по характеру материального носителя. Циклы различаются также по характеру динамических режимов, под которыми понимают типы изменения во времени параметров систем. Одним из таких динамических режимов является периодический. В этом случае система через равные промежутки времени приходит в одно и то же состояние. В физико-географических явлениях строгой периодичности не существует, поэтому правильнее говорить о «квазипериодичности» (квази — почти).

Периодичность в географической оболочке проявляется во многих процессах: тектонических, магматических, осадконакоплении, климатических, гидрологических и множестве других.

Многочисленные факты свидетельствуют о колебаниях климата, которые обусловлены периодическими изменениями параметров земной орбиты, солнечной активности, приливообразующей силы и многих других факторов. Об этом достаточно надежно свидетельствуют геологические, гляциологические, археологические данные, а также наблюдения за исторический период. Хорошо, например, прослеживаются климатические колебания, имеющие продолжительность в 35 лет (этот цикл колебаний впервые установил известный климатолог Брикнер) и 1800 лет. Последний зафиксирован в развитии природы Сахары, где неоднократно чередовались эпохи влажного и аридного климата.

Периодичность характерна для тектоно-магматических процессов: поднятий и опусканий, землетрясений, складчатых движений, интрузивного и эффузивного вулканизма. Тектоно-магматические эпохи разделены периодами относительного тектонического покоя в 50—150 млн. лет. Наблюдается сокращение продолжительности периодов между эпохами тектонической активности — темп геотектонических движений растет в ходе развития Земли.

Периодичность прослеживается в разрезах геологических отложений. Четко она заметна в терригенно-карбонатных и озерно-ледниковых формациях. В терригенно-карбонатных отложениях (главным образом каменноугольного и пермского возраста) наблюдается чередование по разрезу известняков, доломитов, глин, мергелей, песчаников, алевролитов и других отложений. Ритмичность этих отложений связывают с периодическими колебательными движениями земной коры и изменениями уровня моря, а также с колебаниями климата.

В приледниковых озерах образуется ленточная слоистость. Летом, когда ледник тает, в озеро приносится более крупнозернистый материал, зимой отлагается тонкий глинистый осадок. Пара таких слоев соответствует, таким образом, одному году.

Многочисленные свидетельства повторяемости явлений обнаружены в биосфере, ледниках, рельефе.

Вынужденные колебания. Периодичность явлений связана с воздействием внешних факторов (вынужденные колебания) и внутренними закономерностями развития географической оболочки (автономные колебания, автоколебания).

К внешним факторам, вызывающим периодические явления, относят положение Солнечной системы на орбите в нашей Галактике, колебания эксцентриситета орбиты Земли, изменения наклона ее оси и др. В течение галактического года Солнечная система проходит через пространства с различной плотностью вещества (пылевой материи). На протяжении галактического года меняется величина гравитационного поля в связи с изменением положения масс относительно друг друга. Изменение плотности пылевой материи приводит к изменению величины солнечной постоянной, а величины гравитационных сил — к колебаниям в системе атмосферной и океанической циркуляции, изменению сжатия эллипсоида вращения, положения поверхности геоида, что, в свою очередь, влияет и на конфигурацию суши и моря, и на процессы осадконакопления и т. д. Классическим примером вынужденных колебаний могут служить годовые и суточные ритмы. Они связаны с режимом изменения интенсивности солнечной радиации, который зависит от планетарно-астрономических факторов — вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси и наклона земной оси к плоскости орбиты. Так как солнечная радиация — один из самых сильных факторов, воздействующих на природные процессы, суточная и годовая ритмика свойственны практически всем физико-географическим явлениям. Вследствие четкой повторяемости сутки и год служат естественными единицами измерения времени в физической географии.

Изменения времени наступления равноденствий, наклона оси вращения к эклиптике и эксцентриситета земной орбиты соответствуют периодам около 21 тыс. лет, 40 тыс. лет и около 92 тыс. лет. Эти периоды были исследованы югославским ученым Миланковичем с точки зрения воздействия на распределение на земной поверхности солнечной радиации. Изменения перечисленных характеристик очень слабые, однако их совместное влияние, наблюдающееся в периоды совпадения фаз колебаний, довольно велико и может служить причиной климатических колебаний.

Вынужденные колебания создаются также под воздействием и таких планетарно-астрономических факторов, как приливообразующие силы. Возникают ритмы продолжительностью 1,2; 8,9; 18,9; около 111 и 1800—1900 лет (Калесник С. В., 1970).

Возникновение периодичности во многих случаях является отражением изменения пространственного положения системы. Например, сезонная и суточная периодичность в поступлении солнечной радиации связана с изменением положения Земли относительно Солнца. Колебания величины приливообразующей силы с периодом 1800 лет, вызывающие колебания климата, связаны с изменением расположения Солнца, Земли и Луны относительно друг друга. В данном случае проявляется неразрывное единство пространства и времени: временные характеристики — ритмы, периоды — возникают как отражение перемещений объектов в пространстве.

Автономные колебания. Кроме колебаний, вызываемых внешними факторами, географической оболочке свойственны автономные колебания. Последние вообще характерны для систем, имеющих не менее двух инерционных звеньев. Инерционными называются такие объекты, которые при мгновенном изменении внешних по отношению к каждому из них воздействий изменяют свои параметры не мгновенно, а постепенно, в результате переходного процесса. Чем длительнее переходный процесс, тем более инерционен объект. Строго говоря, инерционны все географические объекты. Однако инерционность многих из них невелика, она измеряется минутами, часами, сутками. В то же время такие системы географической оболочки, как океан и материковые льды, при воздействии на них внешних сил перестраиваются гораздо медленнее. Например, океан медленно охлаждается и так же медленно нагревается. Он до сих пор сохраняет холод, накопившийся в плейстоценовую ледниковую эпоху. Наступание и отступание материковых ледников совершается в течение десятков тысяч лет.

В теории автоматического регулирования (один из разделов кибернетики) доказывается, что в системе, содержащей две или более инерционные подсистемы, взаимодействующие по схеме отрицательной обратной связи (см. раздел III.4), могут возникать автоколебательные явления. Причем колебания возникают даже при постоянных внешних воздействиях. Поэтому их и называют автономными, т. е. возникающими независимо от внешних сил.

Автоколебательный характер имели изменения климата и оледенения в плейстоцене (о плейстоценовом оледенении и его роли в развитии природы земной поверхности см. в разделе IV. 6). В. Я. Сергин и С. Я. Сергин (Системный анализ проблем больших колебаний климата и оледенения Земли. Л., 1978) построили математические модели системы «ледники — океан — атмосфера». На рис. III.26 представлено графическое отображение системы уравнений, связывающих все элементарные процессы тепло- и влагообмена на земной поверхности. Такие схемы называют функциональными. Они позволяют представить систему взаимодействия элементов исследуемого объекта и являются основой для построения математической модели.

Функциональная схема системы ледники-океан-атмосфера

Функциональная схема системы ледники-океан-атмосфера

Исследование моделей на ЭВМ показало, что системе ледники — океан — атмосфера свойственны автоколебания, которые возникают вследствие перекачки массы и энергии между двумя большими инерционными системами: океаном и материковыми льдами. Инерционные свойства океана связаны с большой теплоемкостью его вод, а ледников — с малой скоростью накопления и таяния ледниковых покровов. Эти инерционные системы объединены нелинейными прямыми и обратными связями. Колебания возникают при постоянном притоке солнечной радиации на Землю. Задавая внешние возмущения, в том числе изменение широтного и годового распределения солнечной радиации и тектонически обусловленное изменение площади суши, авторы получили теоретические кривые ледниковых колебаний (рис. III. 27). Период колебаний варьирует от 20 до 80 тыс. лет. Размах колебаний средней многолетней температуры северного полушария составляет примерно 15°, южного — около 7 °С. Объем материкового оледенения изменяется на 20 млн. км3 в северном и на 18—28 млн. км3 в южном полушариях. Исследование на модели позволило также установить несимметричность в изменениях массы ледников, температуры и влажности земной поверхности. Изменения температуры земной поверхности по отношению к изменению массы льда отстают. В позднеплейстоценовую эпоху это отставание могло составлять 1—3 тыс. лет. Таким образом, нельзя говорить, будто оледенение контролируется температурой.

Колебания климата и оледенений в модели планетарной системы

Колебания климата и оледенений в модели планетарной системы

Наблюдается асимметричность ледниковых циклов и по отношению к влажности: межледниковья и начала оледенений характеризуются относительно влажным климатом, а сами оледенения и начала межледниковий — относительно сухим.

Автоколебательный характер имеют, по всей видимости, и изменения погоды. Они не связаны с колебаниями интенсивности электромагнитного излучения Солнца, а обусловлены взаимодействием атмосферы с океаном, материками и ледниками. Значительную роль играют такие факторы, как облачность и различия в термодинамических характеристиках атмосферы и океана. Облачность — эффективный преобразователь постоянного потока солнечной радиации в поток теплоты, распределение которого неравномерно в пространстве и времени. В то же время облачность зависит от потока теплоты.

Инерционность океана, т. е. его более медленная (по сравнению с атмосферой) реакция на внешние воздействия (например, на изменения притока солнечной радиации), обусловливает сдвиг всех его термодинамических характеристик во времени. Океан оказывается своего рода «запоминающим устройством», хранящим информацию о состояниях и процессах за более ранний промежуток времени. Таким образом, существование и взаимодействие таких объектов, как атмосфера, океан, ледники, обладающих различными характерными временами, независимо от внешних воздействий неизбежно приводит к возникновению колебательных движений.

Сочетание колебаний, связанных с внешними воздействиями, и автоколебаний приводит к усложнению периодичности. Однако строго отделить вынужденные и автономные колебания чаще всего невозможно. Суперпозиция колебаний разной частоты и длительности приводит к возникновению сложных ритмов.

После окончания полной фазы ритма земная поверхность и ее отдельные подсистемы не возвращаются в первоначальное состояние. Каждая фаза ритма приносит что-то новое. В результате система изменяется, эволюционирует. Развитие системы осуществляется на основе тех необратимых изменений, которые накапливаются в течение большого промежутка времени.

Периодичность природных явлений и их прогнозы. Выявление ритмики природных явлений имеет важное значение для их прогнозирования. Ритмика — это повторение явлений во времени, и если выяснены достаточно устойчивые повторения явлений в прошлом, то велика вероятность, что они будут повторяться и в будущем. Основа прогноза развития природной среды — знание ее предшествующих состояний. Прошлое — ключ к познанию будущего. Анализ прошлого позволяет установить устойчивые тенденции развития природных процессов и во многих случаях произвести экстраполяцию — перенести установленные тенденции на будущее.

Примеров прогнозов, основанных на знании ритмов природных явлений, много: прогнозирование общего характера годового хода погодных условий, а вместе с ними и характера внутригодового изменения речного стока, развития растительного покрова и других явлений. Так же уверенно прогнозируют суточную динамику явлений. Особенно успешно прогнозирование движения планет, Солнца, солнечных и лунных затмений. Четкая ритмичность движений небесных тел позволяет предсказывать их взаимное положение на десятки и даже сотни лет вперед.

Однако движения небесных тел — это механические, а не физико-географические явления, закономерности движения которых более сложны, а ритмика выражена далеко не так отчетливо. Даже в суточной и годовой ритмике физико-географических явлений, имеющей планетарно-астрономическую природу, обнаруживаются значительные искажения. Например, ночью может быть теплее, чем днем. Летом могут наблюдаться заморозки, а зимой оттепели. Эти особенности возникают вследствие наложения на суточную и годовую ритмику, связанную с радиационными факторами, атмосферной циркуляции, имеющей сложную и еще недостаточно исследованную природу.