ахазез. А.О. Огнев. 1-36-08. Основы системологии
 Скачать 1.8 Mb.
|
|
2. Закон «энергетической проводимости системы». Необходимым усло- вием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквоз- ной проход энергии по всем её частям. Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидна необходимость в передаче энер- гии, например, от движителя через трансмиссию к рабочему органу. Передача энергии может быть вещественной (валы, шестерни, рычаги и др.), полевой 141 53 (магнитное поле и др.) и вещественно-полевой (например, передача энергии по- током заряженных частиц). 3. Закон согласования ритмики частей системы. Необходимым услови- ем принципиальной жизнеспособности технической системы является согласо- вание ритмики (частоты колебания, периодичности) всех частей системы. В процессе развития технических систем происходит согласование её под- систем между собой (или с внешней средой). При этом согласовываются мате- риалы, формы, размеры, ритмика действий и другие параметры (прочность, на- дежность, долговечность, температура, работа конвейерных линий, подбор ма- териалов для взаимодействующих частей системы производится таким обра- зом, чтобы они не оказывали разрушающего действия друг на друга и т.д.) Если закон нарушается, то одна часть механизма будет «трястись» относи- тельно другой и машина будет плохо работать (или технологический процесс остановится). Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени идеальности систем. Сущность закона сводится к тому, что система или её часть приобретают свойство идеальности, т. е. в пределе как бы «не существу- ют», сохраняя при этом свои функции. Технические системы развиваются так, что повышается степень их идеаль- ности, причём в пределах системы «стремятся» стать полностью идеальными. Техническую систему можно считать идеальной, если она не имеет веса и раз- меров, не затрачивает энергии, работает без потерь времени и полностью вы- полняет свои функции. Существование технической системы не самоцель. Сис- тема нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких функ- ций). Система идеальна, если её нет, а функция осуществляется. Закон увели- чения степени идеальности универсален. Используя этот закон, можно преобра- зовать любую задачу и сформулировать идеальный вариант решения, а также проследить за эволюцией развития любого технического объекта. Развитие частей системы идет неравномерно: чем сложнее система, тем не- равномернее идет развитие ее частей. Это свойство называется законом нерав- номерности развития частей системы. Закон перехода в надсистему определяет, что исчерпав возможности сво- его развития, система включается в надсистему в качестве одной из ее частей, при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы. Переход в надсистему может осуществляться по следующим трем основ- ным путям: а) создание надсистем из однородных (одинаковых) элементов (например, объ- единение электростанций в единое энергетическое кольцо и др.); б) создание надсистем из конкурирующих (альтернативных) систем (например, парусно-паровые корабли, холодильники-термостаты и др.); в) создание надсистем из антагонистических систем (с противоположными функциями, например, кондиционер, как объединение нагревателя с холо- дильником и т.д.). Ф. Энгельс в «Диалектике природы» отмечал, что «история развития чело- веческого зародыша в чреве матери представляет собой лишь сокращенное по- 142 54 вторение развивающейся на протяжении миллионов лет истории физического развития низших животных предков, начиная с червя». Закон перехода на микроуровень свидетельствует о том, что развитие технических систем идет в направлении перехода от макроуровня (систем, со- стоящих из сложных подсистем, деталей сложной формы) к микроуровню (системам, использующим физические эффекты, связанные со строением мате- ри). И, наконец, в соответствии с законом повышения динамичности и управляемости технических систем развитие технических систем происходит примерно в следующем порядке: а) от системы с постоянными параметрами к системам с параметрами, изме- няющимися при изменении режимов работы, что обеспечивает оптималь- ность ее функционирования (самолет с изменяемой в зависимости от режима полета геометрией крыла и др.); б) от узкофункциональных систем, предназначенных для выполнения конкрет- ной цели, к широкофункциональным, позволяющим изменять функции пе- рестройкой; в) к системам с дифференцированными внутренними условиями (например, требуемые технологией производства температура, давление, газовый состав и др.), в то время, как условия на «входе» и «выходе» системы определяются внешней средой и человеком (цехи с инертной атмосферой для обработки сильно окисляющихся материалов и др.); г) к системам с увеличением числа степеней свободы, к системам гибким, эла- стичным (использование в судостроении эластичных покрытий типа «Ла- минфло», позволяющих значительно увеличивать скорость корабля и др.); д) к системам с изменяющимися связями между элементами, в том числе: − с заменой вещественных связей полевыми (дистанционное радиоуправле- ние); − использованием вещественных связей, изменяющихся под воздействием поля (электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке стали и др.); е) от систем со статической устойчивостью к устойчивым динамическим, т.е. только за счёт управления (от 3-колесного велосипеда к 2-колесному и т.п.); ж) к использованию самопрограммирующихся, самообучающихся, самовосста- навливающихся систем. Контрольные вопросы 1. Принципиальная структура технических систем. 2. Законы, определяющие жизнеспособность технических систем. 3. Как осуществляется управление техническими системами? 4. Основные законы развития технических систем. 143 55 18. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ [71] Современные глобальные экологические проблемывозникли на почве столкновения между техносферой ибиосферой, столкновения, в котором техносфера играет активную, агрессивную роль. Если пользо- ваться экологической терминологией, речь идет в сущности о процессе кон- курентного вытеснения биосферы техносферой, о количественной экспан- сии человеческой цивилизации. Поскольку техносфера и биосфера нахо- дятся в постоянном взаимодействии, их сумму можно представить как единую систему — экосферу. Автор терминаЛ. Кол (Cole, 1958) обозна- чил им совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами. Но именно человечество, ресурсы и продукты его производст- ва и потребления оказывают серьезное влияние на материал и процессы экосферы, вмешиваются в природный круговорот, изменяя его сбаланси- рованность и гармоничность. В.И. Вернадский (1944) писал: Человечество как живое вещество непре- рывно связано с матери-альн-энергетимескими процессами определенной геоло- гической оболочки Земли — с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту. Но «живое вещество» людей неотделимо и от человеческого матери- ального производства, и от созданной человеком технической цивилиза- ции. Вместе они образовали «критическую массу» экосферы на поверхно- сти планеты. К такому пониманию пришел и Н.Ф. Реймерс (1994). Он обозначил глобальную экологию как экосферологию: «глобальная эколо- гия выходит за рамки биосферы, изучая всю экосферу планеты как косми- ческого тела». Итак, экосферой мы называем единую систему взаимодейст- вия современной биосферы и техносферы: экосфера = современная биосфера + техносфера. Экосфера предстает как арена взаимодействий человека и природы, на которой сосредоточены все современные экологические проблемы и кол- лизии. Современная экология становится учением об экосфере. Основной объект экологии — это экологическая система, или эко- система, — пространственно определенная совокупность живых орга- низмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетичес- кими и информационными взаимодействиями. Термин «Экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935). Наименьшей экологической системой является популяция – совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют ме- жду собой внутри вида, а вид как целостная система – с окружающей средой. Совокупность разных популяций вместе со средой их обитания состав- ляют более крупную экосистему – биоценоз. Биоценозы состоят из предста- вителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Следующей по уровню организации является экосистема – биогеоценоз, представляющая совокупность биоценозов, вместе со средой их обитания. 144 56 Наземные экосистемы относятся к одной природно-климатической зоне, имеют общую структуру доминирующей растительности и поэтому могут рассматриваться как единый большой биогеоценоз – биом. Биомы являются объектами экологической географии. Они различаются по климату, по мно- гим особенностям флоры и фауны, по биологическому разнообразию. В пре- делах каждого биома можно встретить множество схожих по приспособле- нию форм животных и растений, хотя происхождение их различно. В таблице 5 приведены ориентировочные данные о площади, биомассе и годовой про- дуктивности крупнейших биомов на Земле. Кроме представленных в табл. 5 биомов суши выделяются еще биомы пресноводных систем (озера и водохранилища, ручьи и реки, заболоченные угодья) и морских систем (открытый океан, прибрежные воды и т.д.). Таблица 5 Площади, биомасса и продуктивность основных биомов Земли Биомасса (су- хое вещество) Годовая продукция Основные биомы, категории земель Площадь, млн. км 2 т/га млрд т т/га млрд т Тундры и лесотундры 4,2 9 4 5 2,1 Таежные и горные хвойные леса 12,8 227 290 9 11,5 Лиственно-хвойные бореальные леса 6,2 280 174 14 8,6 Широколиственные листопадные леса 7,6 325 248 15 11,4 Субтропические леса 5,3 482 255 21 11,3 Влажные тропические леса 10,3 960 990 36 37,1 Саванна, чапарель 6,2 100 62 15 9,2 Степи, прерии, пампа 2,8 26 7 13 3,6 Пустыни и полупустыни 22,7 7 16 2 4,2 Пашня, обрабатываемые земли 15,1 26 39 12 21,1 Освоенные и окультуренные пастбища 26,3 16 42 7 18,3 Воды суши 2,4 5 1 2 0,5 Сооружения, дороги, горные выра- ботки 9,8 Полярные и горные льды 17,2 Итого для всей суши 148,9 2 128 139 Океан 361,1 7 80 Всего 510,0 2 135 219 В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп, – участок с одинаковыми ландшафтными, климатиче- скими, почвенными условиями и биотический компонент – сообщество – со- вокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества, со- стоящих из представителей многих видов растений, животных и микроорга- низмов (рис. 25). Каждая экосистема имеет определенную функциональную структуру. 145 57 Рис 25 Схема экосистемы В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различае- мые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы(самопитающие) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – диоксида углерода и воды — посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все хлорофиллоносные (зеленые) расте- ния и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавто- трофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавторофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за ис- ключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полно- стью отвечают за образование всего нового органического вещества в лю- бой экосистеме, т.е. являются производителями продукции – продуцентами экосистем. Гетеротрофы(питающиеся другими) – организмы, потребляющие гото- вое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедея- тельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. У некото- рых групп бактерий, как и у большинства растений-паразитов и насекомо- ядных растений совмещаются автотрофные и гетеротрофные функции. В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают как потребите- ли и деструкторы (разрушители) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они также подразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги и редуценты. Важной характеристикой экосистем является разнообразие видового состава. При этом выявляется ряд закономерностей. − Чем разнообразнее условия биотопов в пределах экосистемы, тем больше видов содержит соответствующее сообщество. − Чем больше видов содержит экосистема, тем меньше особейнасчиты- вают соответствующие видовые популяции. В биоценозах тропических лесов при большом видовом разнообразии популяции относительно ма- Атмосфера Гидросфера Литосфера Животные Растения Микроорганизмы Биотоп Сообщество 146 58 лочисленны. Напротив, в системах с малым видовым разнообразием (био- ценозы пустынь, сухих степей, тундры) некоторые популяции достигают большой численности. − Чем больше разнообразие сообщества, тем больше экологическая ус- тойчивость экосистемы; сообщества с малым разнообразием подвержены большим колебаниям численности доминирующих видов; − Эксплуатируемые человеком системы, представленные одним или очень малым числом видов (агроценозы с земледельческими монокультурами), неустойчивы по своей природе и не могут самоподдерживаться. − Никакая часть экосистемы не может существовать без другой. Если по ка- кой-либо причине происходит нарушение структуры экосистемы, исчезает группа организмов, вид, то по закону цепных реакций может сильно изме- ниться или даже разрушиться все сообщество. Но часто бывает и так, что через какое-то время после исчезновения одного вида на его месте оказываются другие организмы, другой вид, но выполняющий сходную функцию в экосистеме. Эта закономерность называется правилом за- мещения, или дублирования:у каждого вида в экосистеме есть «дуб- лер». Такую роль обычно выполняют виды менее специализированные и в то же время экологически более гибкие, адаптивные. Так, копытных в степи замещают грызуны; на мелководных озерах и болотах аистов и цапель замещают кулики и т.п. При этом решающую роль играет не сис- тематическое положение, а близость экологических функций групп орга- низмов. В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный обратимый химический процесс, составляющий основу биотического круговоро- та. Из атмосферного углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза в растениях образуется органическое вещество и выделяется кислород, а в обратной реакции — окислении и распаде органических веществ — потребляется кислород и вновь образуются углекислый газ и вода. В природных экосистемах происходят постоянные изменения состояния популяций организмов. Они вызываются разными причинами. Кратковременные — погодными условиями и биотическими воздействиями; сезонные (особенно в умеренных и высоких широтах) — большим годовым ходом температуры. От года к году — различными случайными сочетаниями абиотических и биотических фак- торов. Однако все эти колебания, как правило, более или менее регулярны и не выходят за границы устойчивости экосистемы — ее обычного размера, видового состава, биомассы, продуктивности, соответствующих географическим и клима- тическим условиям местности. В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеяной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сна- чала автотрофными растениями, затем гетеротрофными животными и чело- веком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит ее рас- сеяние в окружающее пространство. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в тех- 147 59 нике – как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преоб- разование концентрированной энергии в рассеянную. С точки зрения применения энергии экосистем в интересах общества и его производительных сил выделяют четыре фундаментальных типа экоси- стем: 1) природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излу- чения. Они занимают огромную площадь на земной поверхности (океаны и т. п.); 2) природные системы движимые солнцем, а также получающие энер- гию от других природных источников (прибрежные участки морей и океанов, большие озера, тропические леса и т. п.) – за счет приливов, тече- ний, ветра и т.п.; 3) природные системы, движимые солнцем и получающие энергию от ис- копаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.); 4) современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию горных ископаемых, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. И, наконец, в современной экономической и экологической литературе ши- роко используется понятие эколого-экономической системы (ЭЭС). Академик М.Я. Лемешев (1976) определил ЭЭС как «интеграцию экономи- ки и природы, представляющую собой взаимосвязанное и взаимообусловлен- ное функционирование общественного производства и протекание естествен- ных процессов в природе». Существуют две интерпретации понятия эколого-экономической системы — глобальная и территориальная. Согласно первой ЭЭС трактуется как эколо- гически ориентированная социально-экономическая формация — цель устой- чивого развития. Для отдельного региона или промышленного комплекса ЭЭС — это ограниченная определенной территорией часть техносферы, в которой природные, социальные и производственные структуры и процессы связаны взаимоподдерживающими потоками вещества, энергии и информации ЭЭС представляет собой сочетание совместно функционирующих экологи- ческой и экономической систем, обладающее эмерджентными свойствами. Напомним, что экосистема — это сообщество различных живых организмов, так взаимодействующих между собой и со средой обитания, что поток энер- гии создает устойчивую структуру и круговорот веществ между живой и не- живой частями системы. В свою очередь экономическая система является ор- ганизованной совокупностью производительных сил, которая преобразует вход- ные материально-энергетические потоки природных и производственных ре- сурсов в выходные потоки предметов потребления и отходов производства. Та- ким образом, часть материальных элементов экологической системы, в том числе и элементов среды обитания человека, используется как ресурс эко- номической системы. То есть, в ЭЭС выделяются две подсистемы: экономическая и экологиче- ская, выступающие как части целого. Граница между ними условна, так как сфера биологического жизнеобеспечения и воспроизводства людей относится к обеим подсистемам. 148 60 Круговороты обеих подсистем ЭЭС образуют вместе своего рода техно- биогеохимический круговорот, а всю ЭЭС можно обозначить как технобиоге- оценоз. Потокам вещества в ЭЭС могутбыть приписаны константы равнове- сия и скорости, что позволяет осуществить кинетический анализ системы и выявить условия ее уравновешивания и стабильности. В сбалансированной эколого-экономической системе совокупная антропогенная нагрузка не должна превышать самовосстановительного потенциала природных систем. Разнообразны типы ЭЭС. Это может быть и отдельное предприятие с зо- нойхозяйственных и эмиссионных влияний, и крупный город с природным окружением, и аграрный или лесной ландшафт с различным уровнем техно- генного преобразования. Варианты природно-производственных комплексов в значительной мере определяются плотностью населения и техногенной насыщенностью террито- рии, хотя принадлежность к определенной природно-климатической зоне тоже имеет большое значение. В соответствии с энергетическим подходом к соизме- рению природных и производственных потенциалов в основу типизации может быть положен эргодемографический индекс I эд , который коррелирует со степе- нью напряженности экологической обстановки в территории, К э . В зависимости от конкретных условий эти показатели могут варьировать в пределах трех и более порядков, что позволяет отчетливо ранжировать различные территориальные комплексы. В табл. 6 представлены классификация ЭЭС основанная на таком подхо- де. Таблица 6 Типы эколого-экономических систем и их количественные характеристики 1 Тип ЭЭС Краткое описание территориального комплекса Эргодемо- графический индекс Кратность превыше- ния ЭТТ 1 2 3 4 I Заповедники, природные заказники, национальные парки, другие охраняемые, малонаселенные и эконо- мические неосвоенные территории. 0 – 5 0 – 0,03 II Районы без крупных населенных пунктов, лесное и сель- ское хозяйство, большие площади ландшафтов, не под- вергнутых техногенному преобразованию. 5 – 15 0,03 – 0,1 III Небольшие города и поселки с перерабатывающей промышленностью местного значения; большая часть территории занята агроценозами. 15 – 50 0,1 – 0,3 IV Преимущественно аграрные или лесохозяйственные территории с наличием единичных крупных объек- тов энергетики, добывающей или перерабатывающей промышленности. 50 – 100 0,3 – 0,5 1 Классификация относится к территориям с площадью от 500 до 2500 км. 149 61 V Средний город с крупными промышленными предпри- ятиями небольшого числа отраслей с отчетливым функциональным зонированием территории; в окру- жении аграрного или аграрнолесного ландшафта. 100 – 300 0,5 – 1,0 VI Крупный город с многоотраслевым промышленным узлом, интенсивными транспортными потоками в ок- ружении аграрного или аграрно-лесного ландшафта. 300 – 500 1,0 – 2,5 VII Очень крупный промышленный центр с большой кон- центрацией различных отраслей индустрии и транс- порта, без отчетливого функционального зонирования территории и с индустриально преобразованным ок- ружающим ландшафтом. >500 >2,5 Разумеется, полная классификация не может ограничиваться только такими обобщенными характеристиками, она должна включать также сведения об отраслевой структуре и о качестве техногенных потоков за- грязнения среды. Контрольные вопросы 1. Экосфера как единая система взаимодействий биосферы и техносферы. 2. Экономические системы: популяции, биоценозы, биогеоценозы, биомы. 3. Структура экосистем – биотон и сообщество. 4. В чем отличие автотродов и гетеротродов? 5. Эколого-экономические системы. 150 62 19. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Мир природы представляет собой полииерархическую систему естествен- ных тел, каждое из которых само является системой и относится к тем или иным уровням организации. Так, например, в группе геологических уровней выделяются: минеральный, породный, геологических формаций, геотектониче- ских и стратиграфических систем, геосфер и планеты в целом. Иерархических систем естественных геологических тел предложено много. Ряд из них пред- ставлен в табл. 7, 8. В каждой природной системе имеются структурные связи как присущие этой системе, то есть обусловленные природой системы, так и обязанные своим возникновением внешней среде. Так, например, в осадочных образованиях главная роль принадлежит структурным связям, которые возникают при фор- мировании осадочного тела и отражают особенности среды. Любой геологиче- ский объект проходит определенный эволюционный путь развития. Это исто- рически развивающийся процесс, протекающий в пространстве и времени [72]. Таблица 7 Система иерархии вещественных систем литосферы (И.В. Круть [72]) Надсистемы Внешние структурные уровни – парагенезисы формаций, их ряды и звенья Формационная оболочка Уровень организации геологических формаций Внутренние структур- ные уровни (интрасистемы) – многослои и др. Элементы: породы (и другие минеральные массы) и их элементарные ассоциации. Компоненты: минералы, породы Горно-породная оболочка Внешние структурные уровни - «геоценоды» пород и других мине- ральных масс Уровень организации горных пород и других минеральных масс (руд, магм и лав, осадков, почв, вод, битумов и др) Внутренние структурные уровни – минеральные массы, обломки по- род и др. Элементы – минералы, их генетические и парагенетические ассоциа- ции и смеси. Компоненты – природные химические соединения. Минеральная оболочка Внешние структурные уровни – ассоциации минералов Уровень организации минералов – элементарных геологических сис- тем (генов): монокристаллов и молекулярных масс (твердых, аморф- ных, жидких, газов). Внутренние структурные уровни – зональные кристаллы и др. Компоненты: элементарные ячейки кристаллической решетки (атомы, молекулы, ионы) простые и ассоциированные молекулы (и атомы). 151 43 Таблица 8 Схема координации естественных тел основных подразделений геологического уровня организации материи. Составлена по Ю.Н. Каргородину, 1976 [74] 152 43 В целом различают три типа геологических объектов: − заданные природой как системы; − заданные исследователем как системы; − заданные обстоятельствами (искусственными или естественными). В соответствии с таким делением в науках о Земле сложились три направ- ления системных исследований. Представители естественности геологических систем считают, что объек- тивная реальность состоит из материальных систем, которые заданы природой, и задача исследователя состоит в том, чтобы отыскать эти естественные систе- мы, установить их границы. Границы систем определяются по скачкообразному изменению существенных свойств, признаков. Так, например, А.Н. Дмитриев- ский [72] к признакам, позволяющим определить границы естественных геоло- гических систем, относит литологический состав, текстуру, структуру, грану- лометрический состав, тип и состав цемента, состав глинистых минералов и т.д. В целом же проблема ограничения систем в геологии (особенно в осадочной) достаточно сложна и до конца не решена. Сторонники второй концепции за- являют, что никаких естественных систем нет, а есть единая и неделимая ма- терия, и поэтому ориентация исследователя на отыскание естественных систем и естественных границ способна завести исследование в тупик. В зависимости от специфики объекта и поставленных задач, исследователь формирует иерар- хию геологических объектов как систем. В качестве примера естественной сис- темы третьего типа можно рассматривать природный резервуар. Системой его «сделала» способность аккумулировать углеводороды. Природный резервуар есть система, состоящая из двух различных по отношению к фильтрации флюидов элементов – пород коллекторов и пород флюидоупоров. Их положе- ние в разрезе осадочного бассейна – явление достаточно часто встречающееся, но в значительной мере случайное. Отделение элементов, составляющих при- родный резервуар, друг от друга ведет к разрушению системы. Примером ис- кусственных систем, созданных на естественном материале, являются техно- геологические сооружения. Для геологической системы можно принять следующее определение [35]: геологическая система есть упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих природных элементов литосферы, связанных общей исто- рией развития и закономерно образующих единое целое, обладающее свойст- вами, отсутствующими у отдельных элементов, его составляющих. С точки зрения функционирования под геологической системой следует понимать совокупность естественных физических и химических процессов, происходящих с природными соединениями в литосфере, и природные (геоло- гические) условия их реализации. В таком понимании геологическая система включает как собственно физические и химические процессы, так и среду, в ко- торой они происходят. Органическим признаком любой геологической системы является геологический процесс, частный случай которого – стационарное со- стояние. При изучении сложных геологических процессов рационально расчле- нять их на ряд этапов, которые могут рассматриваться как элементарные физи- 153 44 ческие и химические процессы (гидродинамические, тепловые, электромагнит- ные, гравитационные и др.). Общая классификация видов связи между элементами системы и между ними и элементами внешней среды выполняется по-иному: различают связи вещественные, когда осуществляется обмен веществом; связи трофические, ко- гда осуществляется обмен энергией; связи сигнальные, когда элементы обме- ниваются информацией. Рассмотрим теперь вопрос о факторах, способствующих образованию гео- логических систем. Среди внешних системообразующих факторов выделяют пространство и время. На рис. 27 представлено соотношение геологических систем и образую- щих их внешних факторов, согласно концепции В.И. Вернадского. Каждому природному естественному телу и явлению (геологической сис- теме) соответствует свое пространство и время. Эти пространства систематизи- руются согласно принадлежности их естественным телам разных уровней орга- низации и группируются тем самым в иерархические ряды основных и частных пространств. Основные ряды соответствуют пространству всех тел определён- ного уровня, а частные, отвечают пространству того или иного естественного тела [73]. Время в геологии является активным системообразующим и одновременно системоразрушающим фактором. Разрушение одних геологических систем приводит к созданию других. На- пример, простое накопление осадков в море приводит к образованию минера- лов и горных пород, но под действием термодинамических факторов во време- ни происходит преобразование осадочных пород в метаморфические. Для геологических объектов характерны также внутренние системообра- зующие факторы такие, как общность природного качества элементов, взаимо- дополнение, структура, связи обмена и др. Геологические системы относятся к сложным вероятностным динамиче- ским системам. Их сложность определяется большим числом материальных единиц, принимающих участие в строении системы, обширным набором пара- метров, характеризующих свойства системы, и многообразием взаимосвязей между ними. 154 45 Рис 27 Соотношение геологических систем и внешних факторов их образующих, согласно концеп- ции В. И. Вернадского (И.В. Круть, 1978) Контрольные вопросы 1. Определение геологической системы. 2. Факторы, способствующие образованию геологических систем. Природные, естественные тела и явления Пространство и время; их специфические состояния Космос, Галактика, звезды, включая Солнце Планета Земля – организаци- онная система Космическое пространство – время Земное планетное пространст- во, время; их симметрия и дис- симметрия Геосфера; земные оболочки – парагенетические, лучевые, термодинамические, геологиче- ские (глубинные, земная кора и др.); стратисфера и гранитная оболочка как былые сферы Горные породы, минералы (включая воды и газы), почвы костное и живое вещество био- сферы Физические, физико- химические, геохимические системы, атомы, субатомные частицы, физические поля Геологическое пространство геологическое время; актуа- лизм и отражение их единства Кристаллическое пространст- во, симметрическое, биологи- ческое пространство и время с их диссимметрией (в отношении левизны- правизны, векторов, размер- ности) Физико-химические состоя- ния пространства; диссимметрия атомов 155 46 20. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Наука география изучает особую внешнюю оболочку планеты Земля, кото- рая получила название географической или эпигеосферы. Эпиогеосфера – это географическая система наивысшего планетарного уровня, это природная система, развитие которой подчинено природным зако- нам. Однако основные свойства и закономерности этой системы распространя- ются и на человеческое общество, для которого она служит географической средой. Эпигеосфера – наиболее сложная часть нашей планеты, где соприкаса- ются и взаимопроникают атмосфера, гидросфера и литосфера. Только здесь возможно одновременное и устойчивое существование вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. В данной оболочке происходят поглоще- ние, превращение и накопление лучистой энергии Солнца и наблюдается слож- ное взаимодействие процессов, стимулируемых как солнечной, так и внут- риземной энергией. Именно в этой части земного шара стало возможным воз- никновение и распространение жизни, которая, в свою очередь, явилась мощным фактором дальнейшего преобразования и усложнения эпигеосферы. Наконец, в пределах эпигеосферы появился человек, для которого она стала средой обитания и преобразовательной производственной деятельности. Целостность эпигеосферыопределяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом между ними, прогрессирующим усложнением в ходе исторического развития и эмерджентными свойствами. На определенном этапе исторического разви- тия в первичной абиотической эпигеосфере возникло живое вещество, а в результате его взаимодействия с косной материей в эпигеосфере образова- лись своеобразные биокосные тела и почва, играющая роль характернейшего географического компонента. Эпигеосфера, разумеется, не является замкнутой системой. Онаоткрыта воздействиям как со стороны ближнего и дальнего космоса, так и глубинных толщ планеты. Практически вся энергия, за счет которой в эпигеосфере со- вершаются различные процессы поступает в нее извне — главным образом от Солнца и в значительно меньшей степени из земных глубин. Гравитаци- онные поля Луны и Солнца вызывают приливы, из космоса на земную невер- ность приходят космические лучи, космическая пыль, метеориты. Разночас- тотная ритмическая изменчивость, присущая практически всем географиче- ским явлениям и процессам, имеет астрономическую природу в широком смысле слова. Известны ритмы, обусловленные свойствами Земли как пла- неты (ее движением по орбите и вращением вокруг оси), колебаниями сол- нечной активности, изменениями приливообразующих сил в системе «Земля — Солнце-Луна». Рассмотрим некоторые вопросы структуры эпигеосферы и ее организо- ванности как необходимой предпосылки для изучения закономерностей территориальной дифференциации и формирования географических систем различных категорий. 156 47 Понятие организованностьприменительно к эпигеосфере не имеет однозначного определения. Оно тесно связано с понятиями целостность, упорядоченность, структура, функционирование. В основе организованно- сти — взаимодействие частей целого. Отдельные взаимосвязанные части це- лого выполняют определенные Функции, характеризуются пространственно- временной упорядоченностью, поддерживая всю систему в состоянии дина- мического равновесия. Одним из проявлений самоорганизованности эпигеосферы являются ав- токолебательные процессы, т.е. ритмические изменения, не связанные с внешними факторами. Так, ледниковые щиты, раз возникнув, вызывают по- холодание климата и понижение уровня Океана. Но это, в свою очередь, приводит к уменьшению испарения и осадков, а тем самым сокращению ледников. Последнее ведет к увеличению площади океанов, потеплению и увеличению осадков, что способствует новому наступлению ледников, и т.д. Таким образом, благодаря существованию как положительных, так и от- рицательных обратных связей в системе «ледники—атмосфера—Океан» происходит саморегулирование и поддерживается динамическое равновесие. К проявлениям самоорганизованности, по-видимому, можно отнести компенсационные процессы, например формирование прогибов и впадин при образовании горных поднятий. Широко известны ситуации, когда эпи- зодические засухи в одних районах сопровождаются наводнениями в других, соседних, или же в смежных регионах синхронно происходят потепление и похолодание. К числу важнейших структурных особенностей эпигеосферы относит- ся гравитационная дифференциация вещества, обусловливающая ее своеоб- разную стратификацию и ярусное строение. Высшие структурные подразде- ления эпигеосферы представлены тремя частными оболочками (геосферами), формирующими ее вертикальную, или радиальную, структуру: 1) тропосферой — нижним, наиболее плотным слоем атмосферы; 2) гидросферой; 3) верхней толщей литосферы, в основном соответствующей осадочной обо- лочке - стратисфере. Взаимное расположение этих ярусов соответствует плотности слагающе- го их вещества, однако лишь поверхность раздела тропосферы и гидросферы имеет горизонтальную форму. Внешняя поверхность литосферы отличается сложным рельефом с ампли- тудами высот, достигающими почти 20 км 71%ее площади подстилает толщу гидросферы (Мирового океана), а на остальной части литосфера непосредствен- но контактирует с тропосферой. Такое кажущееся нарушение гравитационного расслоения вещества обусловлено изостатическим равновесием масс земной коры: более легкие и в то же время более мощные блоки континентальной земной коры «всплывают» из верхней мантии на бóльшую высоту, чем относительно плотные блоки океанической коры. Таким образом, наиболее высокие части не- ровной поверхности литосферы выступают в виде дискретных участков суши над горизонтальной поверхностью гидросферы. 157 48 В каждом из трех основных ярусов эпигеосферы выделяются слои второго порядка или подъярусы, в основном также обусловленные гравитационной диффе- ренциацией вещества. Однако наибольший интерес представляет формирование особых многокомпонентных структурных образований эпигеосферы на контактах трех основных (назовем их условно первичными) геосфер. Вблизи поверхностей раздела этих геосфер происходят их наиболее интенсивное взаимопроникновение и взаимодействие. На контактах первичных компонентов формируются производ- ные, вторичные географические компоненты – биота, почва, донные илы. Организмы, или живое вещество, не образуют, в отличие от других компо- нентов самостоятельного дискретного яруса эпигеосферы. Жизнь проникает во все структурные ярусы эпигеосферы, однако в основном сконцентрирована на контактах литосферы и гидросферы с атмосферой где она образует, по выраже- нию В.И. Вернадского, пленки жизни. Таких контактных пленок получается три, они приурочены к поверхностям суши, Океана и океанического дна. То, что принято называть поверхностью суши, в действительности есть хотя и тонкий (всего лишь десятки метров), но самый активный и чрезвычайно слож- ный слой, в котором тесно переплелись элементы литосферы, гидросферы (по- верхностные и подземные воды) и атмосферы, почва и биоценозы. Этот струк- турный слой можно назвать сферой наземных геосистем или собственно ланд- шафтной сферой, однако в данном случае говорить о сплошной сфере неправомерно, в действительности мы имеем дело с ее крупными и мелкими дискретными фрагментами на материках и островах. Здесь сосредоточена подавляющая часть массы живого вещества; практически именно эта часть эпигеосферы явля- ется ареалом постоянного обитания человечества, где размещены его посе- ления. Ландшафтной сфере присуща своя достаточно дробная стратификация, представленная серией ярусов, включающих приземный горизонт тропосфе- ры (до высоты 30-50 м), пронизанный наземными частями растений, поч- венный слой — педосферу, кору выветривания и т.д. Каждый из ярусов первого порядка может дифференцироваться на ярусы второго порядка (на- пример, в пределах фитоценоза) или горизонты (в почве). Сфера наземных ландшафтов отличается большим внутренним разнооб- разием и наиболее сложной горизонтальной (латеральной) дифференциацией. При сопряженных территориальных изменениях компонентов в процессе их взаимодействия формируются геосистемы разных уровней, которые в даль- нейшем рассмотрены особо. Второй контактный слой эпигеосферы охватывает самую верхнюю толщу Мирового океана (примерно до глубины 150-200 м) и приводный горизонт тропосферы. Проникновение в водную толщу солнечного света, тепла и атмо- сферного воздуха стимулирует интенсивную горизонтальную и вертикаль- ную циркуляцию водных масс, развитие фотосинтезирующих планктонных организмов. Здесь, как и в сфере наземных систем, наблюдается значитель- ная (хотя и не столь пестрая и контрастная) горизонтальная изменчивость свойств и процессов и формируются различные водные (аквальные) ланд- шафты. Следовательно, этот структурный ярус эпигеосферы можно имено- вать сферой океанических геосистем(или ландшафтов). 158 49 Наконец, океаническое дно вместе с придонным слоем водной толщи можно рассматривать как третий контактный ярус эпигеосферы, а именно ярус подводных ландшафтов. Здесь при большом участии остатков водных организмов формируются донные илы — аналог почвы; происходят химиче- ские превращения в породах, слагающих океаническое дно. Эти процессы из- меняют состав и свойства воды в придонном слое. Обитающие в этом слое свободно плавающие животные (нектон) трофически связаны с донными ор- ганизмами (бентосом) и илами. Все географические системы, включая эпигеосферу, следует рассматривать как системы пространственно-временные. Наряду с пространственной упоря- доченностью им присуща упорядоченность во времени, выражаемая в законо- мерной динамической смене их переменных состояний. Устойчивость и из- менчивость географических систем находятся в диалектическом единстве. Обратимые колебательные смены состояний накладываются на направленные (эволюционные) изменения, приводящие в конечном счете к смене гео- графических систем. Контрольные вопросы 1. Что такое эпигеосфера? 2. Структура эпигеосферы. 3. В чем проявляется целостность эпигеосферы? 4. Особенности самоорганизованности эпигеосферы. 159 50 Глоссарий № п/п Новые понятия Содержание 1. Автономность признак системности объекта указывает на относительную самостоятельность системного явления или процесса, наличие внутренних источников существования 2. Асимметрия систем свойство системы «С» не совпадать по признакам «П» после изменений «И» 3. Внешние системооб- разующие факторы факторы среды, которые способствуют возникновению и развитию систем 4. Внутренние систе- мообразующие фак- торы факторы, которые порождаются объединяющимися в систему отдельными частями и элементами или всем многообразием взаимодействующих компонентов системы 5. Второе условие раз- рушения целостных систем система перестает существовать, если энергия внутренних связей будет меньше суммарной энергии внешних воздейст- вий 6. Входные элементы системы полюс, обеспечивающий поступление в систему информации извне 7. Выходные элементы системы полюс, через который система выдает ответные реакции на полученную информацию 8. Законы развития системы законы, определяющие источники существенных изменений объекта и их основные этапы 9. Законы структуры системы законы, отражающие внутреннее строение, механизмы взаи- мосвязи и взаимодействия всех подсистем и элементов, при- водящих к образованию целостного состояния системы 10. Закрытые или замк- нутые системы системы, которые существуют вне связи с внешним миром и способны функционировать самостоятельно 11. Комменсализм форма взаимодействия систем, при которой одна из двух взаимодействующих систем извлекает пользу из совместного существования, не причиняя вреда другой 12. Кооперация вид взаимодействия, в результате которого взаимодействую- щие системы извлекают обоюдную пользу, но могли бы су- ществовать и раздельно 13. Критерии признаки, по которым производится оценка соответствия функционирования системы желаемому результату (цели) при заданных ограничениях 14. Мутуализм вид взаимодействия, в результате которого взаимодействую- щие системы извлекают обоюдную пользу, причем они не мо- гут существовать самостоятельно 15. Негэнтропия количественная мера упорядоченности системы; измеряется в Битах 16. Обратная связь предназначена для выполнения следующих операций: - сравнение данных на входе с результатами на выходе с вы- явлением их качественно – количественного различия; - оценка содержания и смысла различия; - выработка решения, вытекающего из различия; - воздействие на ввод 17. Общая теория систем междисциплинарная наука, призванная в целостном виде по- знавать явления окружающего мира 160 51 18. Окружающая среда среда обитания и деятельности человечества, окружающий человека природный и созданный им материальный мир. Ок- ружающая среда включает природную среду и искусственную (техногенную) среду, т. е. совокупность элементов среды, созданных из природных веществ трудом и сознательной во- лей человека и не имеющих аналогов в девственной природе (здания, сооружения и т. д.) 19. Основные этапы развития системы этапы возникновения, становления, расцвета (зрелая система), стагнации, распада (гибель) 20. Отграниченность признак системности объекта; отмечает выделенность кон- кретного сложноорганизованного объекта среди других, на- личие установленных для него границ функционирования 21. Первое условие раз- рушения целостных систем система будет разрушена, если суммарная энергия движения системы будет превышать энергию ее внутренних связей 22. Подсистемы наиболее крупные и основополагающие компоненты целост- ного образования 23. Признаки социаль- ных систем 1) наличие цели; б) прочная взаимосвязь элементов; в) нали- чие окружения, несущего ограничения системы: г) обладание определенными ресурсами, обеспечи-вающими их существо- вание; д) наличие управляющего центра 24. Процесс улучшения системы приведение системы в соответствие с ожидаемыми, заданны- ми параметрами 25. Процессор перевод входа в выход 26. Равновесие системы состояние системы, при котором выполняются условия рав- новесия; таких условий может быть несколько 27. Связи осуществляют непосредственное взаимодействие между эле- ментами (или подсистемами) системы, а также с элементами и подсистемами окружения 28. Симметрия систем свойство системы «С» совпадать по признакам «П» после из- менений «И» 29. Система (от греческого sỳstẽma – целое, составленное из частей; со- единений), совокупность элементов, взаимосвязанных и взаи- модополняющих, образующих определенную целостность, единство и обладающих интегративным свойством 30. Система «человек – машина» сложная система, в которой человек – оператор (группа опе- раторов) взаимодействует с техническим устройством в про- цессе производства материальных ценностей, управления, об- работки информации и т. д. Система - «человек – машина» является предметом исследования системотехники, инже- нерной технологии, эргономики 31. Системные исследо- вания особый вид познавательной деятельности, изучающей объект как целостность, располагающей собственным арсеналом по- знавательных средств, имеющих междисциплинарный харак- тер 32. Системный анализ совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам политического, военного, социального, экономического и технического характера 161 52 33. Системный подход направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем; ориентирует исследования на раскрытие целост- ности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину 34. Системология специфическое направление общей теории систем, которое занимается целостными объектами, представленными в каче- стве объекта познания 35. Системообразующие факторы факторы, направленные на обеспечение целостности объекта, его развитие, поддержание его дееспособности 36. Системоразруша- ющие факторы факторы, действия которых вносят элементы деструктивности в связи и отношения системы, которые становятся помехой ее нормального функционирования и ведут к ее распаду 37. Системотехника научное направление, охватывающее проектирование, созда- ние, испытание и эксплуатацию сложных систем 38. Сложная система составной объект, части которого можно рассматривать как отдельные системы, объединенные в единое целое в соответ- ствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями. Части сложной системы – подсистемы – можно расчленить (часто лишь условно) на бо- лее мелкие подсистемы и т. д. вплоть до выделения элементов СС, которые либо объективно не подлежат дальнейшему рас- членению, либо относительно их неделимости имеется дого- воренность 39. Структура совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. е. сохра- нение основных свойств при различных внешних и внутрен- них изменениях 40. Структурность упорядоченность систем, организованность, определенный набор и расположение элементов со связями между ними 41. Суммативные или аддитивные системы системы, у которых связи между элементами одного и того же порядка, что и связи их элементов со средой 42. Управление формирование целостного (эффективного) поведения системы для поддержания режима деятельности, реализации ее про- грамм и целей 43. Функции общей тео- рии систем функция обеспечения целостного познания объектов; функ- ция стандартизации терминологии; описательная функция; объяснительная функция; прогнозная функция 44. Функциональность проявление определенных свойств (функций) системы при взаимодействии с внешней средой 45. Функция системы проявление свойств, качеств системы во взаимодействии с другими системами, выражающими относительную устойчи- вость реакции системы на изменения ее внутреннего состоя- ния и внешних связей 46. Хаос такая структурная организация системы, при которой поведе- ние любого элемента данной системы не зависит от поведения всех остальных её элементов и каждого в отдельности 47. Целостность внутреннее единство объекта, его относительная автоном- ность, независимость от окружающей среды 162 |