Общий прогресс исследований

Из обзора достижений в исследованиях временных изменений в отраслях физической географии можно выделить ряд тем и направлений, относящихся к нескольким отраслям физической географии, и, кроме того, становится очевидной необходимость междисциплинарных контактов. Общий прогресс часто достигается тогда, когда модель, созданная в одной отрасли исследований, находит широкое применение. Так, например, закон нормирования (см. рис. 8-3, Б) может использоваться не только во флювиальной, но и в других отраслях геоморфологии, а понятие о запаздывании в геоморфологических системах (см. рис. 8-3, А) имеет многочисленные аналоги, в частности в реакции ледников на климатические изменения, как показал Гоуди (Goudie, 1977). В палинологии тоже наметилась тенденция к выходу за пределы изучения отдельных разрезов. Эдварде (Edwards, 1983) считает, что уже накоплено достаточно данных, необходимых для решения многих проблем, хотя и на разном уровне обобщения. Он пишет:

«Палинология четвертичного периода как научная дисциплина, несомненно, должна уделить несколько меньше времени работе за микроскопом и больше использовать имеющиеся данные. В перспективе необходима публикация обзоров, подготовленных специалистами по отдельным разделам палинологии» (Edwards, 1983, р. 120).

Исследования по палеоклиматическому картографированию на основе палинологических данных и по реакции растительности на изменения климата потребовали использования переходных функций, чтобы связать пыльцевые спектры с показателями климата. Запаздывания в ходе миграций стали очевидными, так как смены растительности происходят в ответ на климатические изменения (рис. 8-3), но не обязательно синхронно (Prentice, 1983). Один из путей развития этих исследований сводится к тому, чтобы «построить модель равновесия, воспроизводящую функции реакции оптимальной поверхности на основе данных о современном климате, распространении и содержании пыльцы древесных пород, а затем попытаться реконструировать миграции растительности в голоцене при разных вероятных климатических сценариях. Остаточные эффекты имитации помогают создать представление о масштабах миграционного запаздывания. Такие методы потенциально гораздо более убедительны, чем словесные аргументы» (Prentice, 1983, р. 281).

В настоящее время пороги стали выделять во всех отраслях геоморфологии. Коутс и Витек (Coates, Vitek, 1980) замечают, что, хотя представления о критических границах, пороговых условиях и точках неустойчивости завоевывают важные позиции в других дисциплинах, эта терминология сравнительно мало используется в геоморфологической литературе. Они полагают, что доктрины катастрофизма и униформизма должны быть дополнены еще одной, которая посвящена порогам. В сборнике, вышедшем под редакцией этих ученых (Coates, Vitek, 1980), помещены статьи, посвященные историческому фону, флювиальным формам рельефа, гидрогеологическим районам, порогам в других геоморфологических процессах и, наконец, отношению порогов и человека. Сфера применения порогов в настоящее время весьма расширилась, и предложено следующее определение порогов: «Поворотный пункт или граничное условие, которое разделяет две отчетливые фазы взаимосвязанных процессов; динамическая система, управляемая одним и тем же источником энергии» (Fairbridge, 1980, р. 48).

Представления о порогах могут быть применены к изучению тектоники, гидрологии, гляциологии, процессов эвстазии и седиментации. Пульсации, характерные для некоторых ледников, служат примерами пороговой ситуации. Когда превышается порог, происходит пульсация со скоростями часто на несколько порядков величин больше, чем в нормальных условиях, затем движение ледника стабилизируется, но его нижняя часть некоторое время остается приподнятой, а верхняя — пониженной. Впоследствии вновь возникает неустойчивость, так как верхняя часть поднимается, а нижняя — опускается до тех пор, пока не произойдет очередная пульсация (King, 1980b).

Пороги связаны с передачей энергии, которая привлекает большое внимание в связи с применением системного анализа53 (см. гл. 7, с. 218). Несомненно, выяснение проблемы, каким образом пороги обеспечивают граничные условия для фаз передачи энергии, создаст весьма перспективный путь для дальнейшего совершенствования физико-географических исследований. Рассматривая ход развития флювиальных процессов в семиаридных районах, Грэф (Graf, 1982) установил факторы, определяющие пространственные изменения этих процессов, направления пространственного распределения энергии в сети русел и геоморфологические последствия пространственных изменений флювиальных процессов. В публикации о горах Генри в штате Юта (Graf, 1983) ему удалось выяснить, что тенденция развития русловых процессов в 1883 г. оказалась резко противоположной глубинной эрозии, которая наблюдалась в 1909 и 1980 гг.

Основная трудность изучения пороговых ситуаций состоит в том, что многие аналитические работы, предпринимавшиеся в физической географии, строились на поиске линейных зависимостей, тогда как порог автоматически предусматривает существование иной формы распределения. Линейные зависимости, обычно устанавливавшиеся на основе регрессии, были объектом неправильного использования в науках о Земле, как показал Уильяме (Williams, 1983). Для того чтобы сделать эти отношения более адекватными, имеются по крайней мере два подхода. Первый — применение степенных функций, обеспечивающих метод деления ряда на отчетливые последовательности. Его избрал Дьюри (Dury, 1980b), систематизировав данные об осадках в Сиднее и затем вычислив степенные функции при анализе длинных рядов по стоку (Dury, 1982). Метод включает сокращение временных рядов до стационарной формы с помощью нахождения среднего для ряда и затем расчета кумулятивных отклонений от среднего. Если кривая строится по кумулятивным отклонениям во времени, можно дифференцировать отдельные блоки лет в полученных данных. Там, где пороги влияют на последовательность, следует представить последовательность степенной функции.

Второй подход, находящий широкое применение, основывается на теории катастроф, предложенной Р. Томом (Thorn, 1975) для описания и прогноза ряда прерывистых процессов. Поэтому можно установить связь с изменениями, которые являются катастрофическими переходами или отклонениями состояния системы от одной сферы функционирования к другой, возможно необратимыми (Chorley, Kennedy, 1971). Том выделил семь элементарных катастроф (Thorn, 1975); одну из них с точкой возврата, приуроченной к пересечению кривых, можно использовать для моделирования временных изменений в системах окружающей среды. Оригинальная теория была разработана Томом (Thorn, 1975) для описания развития во времени и такой эволюции, когда рост или развитие организма представляет собой как бы ряд постепенных изменений, инспирированных и дающих катастрофические скачки, которые связаны с крупными изменениями в организме (Stewart, 1975; Bennett, Chorley, 1978).

Грэф (Graf, 1979а) рассмотрел использование теории катастроф во флювиальной геоморфологии, в частности при описании поведения геоморфологических систем, хотя она не дает ответ на основной вопрос: «Почему?» Катастрофа с точкой возврата характеризуется резкими и плавными изменениями, расходящимся и бимодальным поведением, гистерезисом и стабильностью структуры. Грэф (Graf, 1979а) показал преимущества, вытекающие из сочетания понятий равновесия и изменения, стабильности структуры изменений и перспективы, отличной от более ранних моделей, тогда как неудобства связаны с трудностями опознавания факторов контроля системы, с определением энергетических функций и с неопределенностью теории. Идея катастрофы использовалась для моделирования поведения временных эпизодических русел в плане изменений в транспорте наносов и ширине русел в пространстве и времени (Thornes, 1980). Возможны и другие аспекты применения теории катастроф в физической географии, но первоначальный энтузиазм, проявленный в этом поиске, может отражать то, что Д. Алек-сандер (Alexander, 1979) назвал «ненасытным пристрастием географа к новым аналитическим методам независимо от ограничений, накладываемых информацией».

В частности, в геоморфологии такие подходы к анализу временных изменений расширяются. Рассматривая чувствительность рельефа к изменениям, Брансден и Торне (Brunsden, Thornes, 1979) установили серию из четырех основополагающих положений о происхождении рельефа, выведенных на основе изучения связи процесса и формы. Эти положения следующие:

Постоянный процесс — характерная форма. Для любого данного ряда условий окружающей среды при функционировании постоянного ряда процессов проявляется тенденция со временем производить характерный ряд форм рельефа.

Меняющееся поведение. Геоморфологические системы постоянно подвергаются преобразованиям, которые возникают вследствие изменения условий в системе окружающей среды или вследствие структурной неустойчивости этой системы. Преобразования приводят, но могут и не привести к выраженной неустойчивости или меняющемуся поведению системы за период 102—105 лет.

Сложная реакция. Реакция на возмущающее отклонение от состояния равновесия, вероятно, является сложной в пространственном и временном отношениях и способствует значительному разнообразию форм рельефа.

Подверженность изменениям. Устойчивость рельефа — функция временных и пространственных распределений сил сопротивления и нарушения и может быть представлена в виде фактора надежности изменений рельефа, рассматриваемого как отношение величин изменяющихся порогов к величине нарушающих сил. Введен показатель изменчивости формы (TFt), выражающий подверженность формы рельефа как внутренним, так и внешним морфологическим изменениям:

TFt= среднее время релаксации / среднее время повторяемости событий


Брансден и Торне (Brunsden, Thornes, 1979) доказали, что исследование долговременных изменений должно включать установление характерной реакции на фиксированные распределения порогов и сил, вызывающих изменения, с применением расчетов на основе изучения современных процессов, причем эти расчеты сопровождаются оценкой относительной чувствительности частей системы окружающей среды.

Необходимость дальнейшей разработки теории в геоморфологии подчеркивалась Торнсом (Thornes, 1983b), который признавал, что в геоморфологии четко проявившиеся после 1950 г. два направления, посвященные соответственно хронологии (гл. 4) и процессам (гл. 5), будут взаимно увязаны только на основе разработки модели долговременного поведения рельефа. Предложен подход к эволюционной геоморфологии (Thornes, 1983b) путем рассмотрения взаимодействия сфер данного процесса со сферами других процессов, причем возможны случаи их перекрытия, соответствия, противодействия и исключения. Эта концепция аналогична понятию ниши в экологии, и в сферах поддерживается состояние равновесия между процессами в соответствии с контролирующими факторами. Если геоморфология процесса главным образом посвящена способу, с помощью которого определяются сферы, то эволюционная геоморфология исследует возникновение и развитие структур, создающих сферы процессов. Можно обнаружить изменения в относительной роли разных процессов, и, кроме того, частный процесс может изменить свою сферу и взаимодействовать со сферой другого процесса. Чтобы проанализировать развитие такого рода, необходимо рассмотреть неустойчивое поведение, которое представляло альтернативу модели устойчивого состояния. В неустойчивой системе нет возврата к равновесию и прогнозировать последовательное поведение невозможно. Теоретическое рассмотрение условий, при которых склон холма, ложбина или ручеек либо заполняется рыхлым материалом, либо в ходе развития превратится сначала в русло, а затем в долину (Smith, Bretherton, 1972), предопределило уклон в сторону анализа скорее роста и изменений, чем динамического равновесия. Этот подход был развит Люком (Luke, 1974) и Кёркби (Kirkby, 1980). Торне (Thornes, 1983b) пришел к выводу, что преобладающие подходы в геоморфологии меняются от непосредственного наблюдения состояний равновесия до признания существования многократных устойчивых и неустойчивых равновесий, что может быть положено в основу новых моделей развития рельефа.

В плане оценки влияния человека на окружающую среду Ф. Олдфилд (Oldfield, 1983b) утверждал, что до сих пор физико-географы преимущественно обращались к моделям изменений экосистем, которые по характеру могут быть детерминированными, последовательными и эволюционными. Модель «сукцессия — климакс» все еще широко распространена в биогеографии, несмотря на ее слабость в свете современных эмпирических данных и трудностей, возникающих при попытке согласовать ее с системной теорией. Кроме того, были созданы модели с циклическим или гармоническим элементом, предусматривающие изменения, реконструируемые в широком диапазоне масштабов. Впрочем, Олдфилд (Old-field, 1983b) утверждает, что нужна модель экологических изменений, которая принципиально отличается от эволюционной и циклической моделей и более сходна с моделями устойчивого состояния, созданными в других науках. Он предлагает, чтобы озера вместе с их осадками и водосборными бассейнами составили соответствующее ядро, на котором могли бы отрабатываться новые методы (Oldfield, Battarbee, Dearing, 1983), пригодные для анализа и датирования потока материалов. Предложенная модель устойчивого состояния (Oldfield, 1983b) во многих отношениях аналогична моделям, используемым в геоморфологии (как на рис. 8-3, Б), и значительные нарушения устойчивых состояний часто стимулировались процессами истощения и эрозии почв с соответствующими изменениями их строения, влагосодержания и концентрации питательных веществ.