Ритмические процессы в географической оболочке

Географическая оболочка направленно развивается во времени. Однако ей свойственны ритмические колебания, при которых состояния геосистем периодически (с большей или меньшей правильностью в чередовании ритмов) повторяются.

Понятие о ритмах.Ритмическими процессами (ритмикой) называют повторяющиеся во времени явления, которые каждый раз развиваются в одном направлении. Это одна из закономерностей существования и развития географической оболочки, проявляющаяся в изменчивости всех процессов. Выделяют два вида ритмических движений: периодические и циклические.

Под периодами понимают ритмы одинаковой длительности (например, время оборота Земли вокруг оси или период обращения ее вокруг Солнца). Ритмы различной продолжительности именуют циклами. Цифры временных интервалов у циклов означают только среднюю продолжительность изменчивости явления (например, 11-летний цикл колебания солнечной активности). Таким образом, периодичность означает равновеликий характер временных интервалов, а цикличность — возвращение системы в исходное состояние через определенные промежутки времени. Следовательно, ритмичность одновременно включает свойства цикличности и периодичности, не обладая хронологической строгостью и не возвращая систему в исходное состояние.

Трудность изучения ритмических явлений заключается в том, что ритмов много, продолжительность их разная, происхождение неодинаково.

Проявляясь одновременно, ритмы нередко накладываются друг на друга, что приводит к усилению одних ритмов другими или к их взаимному ослаблению. Кроме того, скорость ответной реакции отдельных компонентов географической оболочки на внешние ритмические воздействия различна. Познание законов ритмики необходимо для разработки долгосрочного прогнозирования географических процессов.

Изменчивость процессов в географической оболочке обусловливают внешние и внутренние источники. К ним относят астрономические (обусловленные взаимодействием Земли и ее оболочек с Солнцем и другими космическими телами, главным образом Луной), тектоно-геологические, климатические и другие возмущения, которые непосредственно влияют на процесс, вызывая вынужденные колебания среды как ее ответную реакцию (например, ветровое волнение). Помимо этого, в самих геосферах могут возникать автономные колебания, возникающие после прекращения действия внешней силы (например, волны зыби).

Классификация ритмических движений.Колебания параметров, характеризующих свойства геосфер, обусловлены многими причинами. При их классификации удобно исходить из длительности географических процессов, изменчивость которых определяется соответствующими пространственно-временными масштабами. Среди колебаний обнаруживается достаточно циклов, продолжительность которых варьирует от нескольких сотен миллионов лет (гигациклы) до периодов случайных флуктуации длительностью в минуты, секунды и их доли. Целесообразность такого условного подразделения очевидна, поскольку каждая геосфера имеет свой набор причин и следствий, проявляющихся в определенный отрезок времени.

Геологические циклы — самая крупная единица установленной периодичности. Они отразились в смене режимов осадконакопления, вулканизма и магматизма, эпохах расчленения и выравнивания рельефа, периодах формирования кор выветривания и элювиальных образований, в чередовании морских трансгрессий и регрессий, ледниковий и межледниковий, в изменении климата планеты и содержании атмосферных газов.

Вся известная нам геологическая история Земли обнаруживает циклы в несколько сотен миллионов лет, служащих фоном для более коротких (десятки миллионов, миллионы, сотни тысяч лет и др.) циклов, природа которых различна. Наиболее продолжительным астрономическим периодом является галактический год — время между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орбиты. Этот период составляет 180—200 млн лет. Колебательными движениями земной коры и обусловленными ими изменениями распределения суши и моря определяется геологическая периодичность с ритмом 35—45 млн лет, который положен в основу выделения периодов. Указанные отрезки времени представляют собой своеобразные «сезоны» галактического года, к которому приурочены различные феномены планетной системы: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий ирегрессий, выравнивания и расчленения суши, возникновение глобальных ледниковых эпох и др. Существует цикл продолжительностью 85—90 млн лет (космическое полугодие, или драконический период у астрономов), обусловленный сменой положения плоскости эклиптики Солнечной системы относительно такой же плоскости Вселенной. При анализе крупных деформаций земной коры и ее поверхности намечается периодичность в 500—570 млн лет (утроенный галактический год), причина которого пока не ясна. История развития Земли за последние 570 млн лет делится на три этапа: каледонский (кембрий, ордовик, силур), длительностью около 200 млн лет, герцинский (девон, карбон, пермь), длительностью 150— 190 млн лет, альпийский (мезозой, кайнозой), длительностью около 240 млн лет. Последний часто разделяется на ранне-альпийский {киммерийский) продолжительностью около 170 млн лет и позднеальпийский (альпийский), начавшийся около 70—90 млн лет назад.

При некотором различии в длительности эти этапы обладают общими чертами, которые позволяют говорить о цикличности: начало каждого этапа ознаменовано общим опусканием земной коры, а завершение ее поднятием. В эпоху опускания господствуют морской режим и однообразный климат, в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, разнообразные климаты. Средняя (170— 190 млн лет) продолжительность этих этапов примерно соответствует длительности галактического года. Прямого отражения во времени быть не может, так как надо учитывать запаздывание отражения воздействия на конкретный объект. Существуют предположения о возможном сопоставлении цикличности великих оледенений, повторявшихся примерно через 150—160 млн лет, и длительности галактического года (рис. 7.17).

Сложность проблемы геологических циклов состоит не только в установлении их причин, но и в степени достоверности их существования. Кроме того, отдаленные друг от друга регионы развиваются в тектоническом отношении по-разному. Например, в некоторых областях Южной Сибири проявления складчатости в каледонскую эпоху были разновременны: основная складчатость в Туве была в раннем ордовике, в Западном Саяне — в середине силура, в Кузнецком Алатау — на границе среднего и позднего кембрия.

Механизм, управляющий ритмическими движениями земной коры, еще не выяснен и может быть связан с внутренними особенностями развития Земли или обусловлен длительностью галактического года.

Сверхвековые ритмы. Продолжительность сверхвековой ритмики составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Особенно хорошо выражен ритм продолжительностью 1800— 1900 лет (например, смена влажного и засушливого климата Сахары). Согласно А. В. Шнитникову, в каждом цикле длительностью 1850 лет есть три фазы: трансгрессивная (фаза прохладно-влажного климата), развивающаяся весьма быстро и энергично, но относительно короткая — 300 — 500 лет; регрессивная (фаза сухого и теплого климата) продолжительностью 600—800 лет, которая протекает медленно и вяло; переходная, охватывающая промежуток в 700—800 лет. Переход от регрессии к трансгрессии — четкий и быстрый, а от трансгрессии к регрессии — сглаженный. В трансгрессивную фазу усиливается оледенение, увеличивается сток рек, повышается уровень озер; в регрессивную ледники отступают, реки мелеют, уровень озер понижается. Помимо этого, в климатических рядах хорошо прослеживаются колебания с периодами 3500—4500 лет, представляющие собой удвоенные ритмы.

Рис. 7.17. Последовательность ледниковых эпох и «теплых» периодов за последний миллиард лет (по Б.Джону и др., 1982). Черные полосы показывают предполагаемую продолжительность ледниковых периодов

Строго периодично изменяются некоторые астрономические факторы: периодичность наступления равноденствий составляет 21 тыс. лет; изменение наклона эклиптики от 24°36' до 21°58' происходит с интервалом в 40 тыс. лет и влияет на положение тропиков и полярных кругов, что обусловливает заметные климатические циклы продолжительностью 40,4—40,7 тыс. лет.

Внутривековые ритмы. Многие исследователи (Г.Ф. Лунгерсгаузен, Е.В.Максимов, М.М.Ермолаев и др.) считают, что большинство наблюдаемых в природе внутривековых ритмов имеет космическое происхождение, поскольку обнаружена связь с ритмами Солнца и отдельных небесных тел. Для годовых колебаний системы атмосфера—океан—суша выделены следующие циклы, каждый из которых имеет свою природу: 111 лет, 80—90 лет, 44 года, 35—40 лет, 22 года, 19 лет, 11 лет, 6—7 лет, 3—4 года, 2 года.

Полагают, что солнечная активность ответственна за возникновение в географической оболочке (через возмущение магнитного поля и циркуляцию атмосферы) ритмов средней продолжительностью в 2—3 года, 5—6 лет, 11 лет, 22—23 года, 44 года, в 80—90 лет, а возможно и более длительных. Они установлены во многих явлениях: толщине годичных колец у деревьев, периодичности снегонакопления в Антарктиде, размножении саранчи, повторяемости магнитных бурь и полярных сияний, изменчивости гидрометеорологических параметров, урожайности зерновых культур, чередовании вспышек жизнедеятельности ряда организмов, заболеваемости людей, в геологических отложениях (глинах, торфах, кораллах) и др. Огромный вклад в изучение гелио-геофизических связей внесли А.Л.Чижевский и В.Н. Купецкий.

В колебании солнечной активности наиболее известен 11-летний цикл, хотя, как видно из табл. 7.6, его продолжительность может меняться. В изменении интенсивности природных процессов (осцилляции горных ледников, активизация эруптивной деятельности вулканов и сейсмической активности, катастрофические наводнения крупных равнинных рек и др.) наблюдается ритм продолжительностью около 90 лет. Полагают, что он также связан с солнечной активностью, а именно с усилением каждого восьмого солнечного цикла (88—90 лет).

Таблица 7.6. Метод наложенных эпох солнечной активности (по В. Н. Купецкому)

Примечания: 1. В графах вместе с годом приведены числа Вольфа. 2. Значения центрированы относительно среднегодового максимума солнечной активности.

Установлены ритмы, обусловленные изменениями приливо-образующей силы в результате взаимного положения Земли, Луны и Солнца. Наиболее известным из них является лунный деклинационный период в 18,6 лет (известный как «Сарос» очень давно), а также ритмы длительностью 1—2 года, 8—9 лет и около 111 лет.

Э.А. Брюкнер в 1890 г. установил, что почти везде на земном шаре климат испытывает циклические колебания со средней продолжительностью одного цикла около 30—35 лет. За это время серия влажных и прохладных лет сменяется серией теплых и сухих. По другим данным (уровень озер, водоносность рек и горных ледников, ледовитость, температура воздуха и др.), продолжительность ритмов может колебаться от 20 до 45 лет.

В 20-е годы прошлого века на обширных территориях земного шара было отмечено потепление климата, усилившееся к 1940 г. Заметно потеплел атлантический сектор Арктики (это событие получило название «потепление Арктики»): повысилась средняя температура зимы, уменьшилась ледовитость морей, опустился уровень вечной мерзлоты, отступили ледники, лоси распространились до побережий северных морей. Потепление не затронуло центральных районов Азии, севера Африки, Антарктиды, а в Австралии стало даже холодней. Полагают, что причиной описанных изменений являются нарушения в интенсивности общей циркуляции атмосферы. В 30-х годах XX в. В. Я. Вангенгеймом были начаты обстоятельные исследования общей циркуляции атмосферы. В непрерывном ходе метеорологических процессов Северного полушария он выделил элементарные синоптические процессы (ЭСП), обобщенные позже в трех формах атмосферной циркуляции - западной (W) восточной (Е) и меридиональной (С). Общая циркуляция атмосферы является системой атмосферных макропроцессов непрерывно изменяющихся в пространстве и времени. Развитие атмосферных макропроцессов проходит ряд стадий (эпох), отличающихся как характером самого процесса, так и его пространственно-временным масштабом. Цепь развития атмосферных процессов в эпохе определяется преобладанием соответствующей циркуляционной формой переноса, которую А. А. Гире схематически представил в следующем виде:

Установлено, что в что в периоды повышения солнечной активности в тропосфере активизируются меридиональные формы циркуляции и ослабевает зональный перенос.

Сейсмическая активность Земли также носит ритмический характер при средней продолжительности ритмов в 22 —23 года.

Эль-Ниньо — аномальное продвижение теплых экваториальных вод южной ветви Межпассатного противотечения далеко на юг вдоль побережья Южной Америки при ослаблении юго-восточного пассата. Такие вторжения теплых вод резко меняют океанологические и метеорологические условия в прибрежных районах Перу и Чили и приводят к массовой гибели холоднолюбивых промысловых рыб, катастрофическим ливням и штормам большой силы Моменты (фазы) наступления Эль-Ниньо различны, но отмечена периодичность в 2, 4—5 и 8 лет.

При изучении этой проблемы совместно рассматриваются колебания атмосферы, называемые Южным колебанием, колебания океана, регистрируемые по его теплым фазам Эль-Ниньо и холодным — Ла-Нинья, и колебания Земли, проявляющиеся через изменения скорости ее вращения и нутацию географических полюсов. Хронология фаз Эль-Ниньо и Ла-Нинья приведены в табл 7.7. Отмеченные эффекты отражаются далеко за пределами Тихого океана и омываемых им территорий.

Таблица 7.7. Хронология фаз Эль-Ниньо и Ла-Нинья, год

Нестабильность вращения Земли (изменения скорости ее вращения и колебания земной оси) порождает в океане и атмосфере полюсной прилив, который в свою очередь влияет на движения атмосферы и океана и протекающие в них процессы. Его амплитуда в океане составляет 0,5 см и зависит от величины смещения полюса. В системе атмосфера—океан—суша наблюдаются нелинейные колебания: атмосфера и океан раскачивают Землю, а Земля в свою очередь влияет на колебания атмосферы и океана. Нутационные движения Земли, атмосферы и океана при этом то ослабевают, то усиливаются. Таким образом, вся система Земля — атмосфера — океан совершает согласованные колебания с периодичностью 3 и 6 лет.

По мнению И. В. Максимова, 6-летний ритм движений полюса вращения Земли является следствием наложения 14-месячного чандлеровского движения и 12-месячного движения мгновенного полюса вращения Земли.

Внутригодовые ритмы, характеризующие сезонные колебания, наиболее выражены в высоких и умеренных широтах и в некоторых тропических районах (например, в муссонной зоне Индийского океана).

Внутригодовая, или сезонная, ритмика проявляется в смене времен года, ходе климатических элементов, гидрологических явлениях (ледостав, ледоход, половодье), почвообразовательных и геоморфологических процессах (усиление речных врезов при увеличении расходов воды в паводки и половодья и их затишье в межень, активизация термокарста летом и его замирание зимой, изменение величины плоскостной и почвенной эрозии в разные времена года) и др. Эта изменчивость свойственна любой географической зоне, но определяется различными причинами: в умеренных широтах — преимущественно ходом температуры, в субэкваториальных областях — режимом увлажнения, в полярных районах — световым режимом.

Внутримесячная ритмика, связанная с изменчивостью периода обращения Солнца (см. табл. 3.1), изменением фаз и склонений Луны, обусловливает соответствующие колебания атмосферных, гидрологических и биологических процессов. Внутримесячные колебания скорости вращения Земли обнаруживают периодичность в 27, 14 и 9 суток.

Внутрисуточная ритмика проявляется в изменении всех гидрометеорологических параметров (температуры, влажности, атмосферного давления), приливо-отливных явлениях, фотосинтезе, биологической активности животных и др. Нагревание горных пород днем и остывание их ночью создает суточный ритм физического выветривания. Такой же ритм присущ и процессам почвообразования.

Бризы и горнодолинные ветры — это проявление суточной ритмики движения воздуха, вызванной изменением его плотности при нагревании и охлаждении. Под влиянием тех же причин наблюдается и «дыхание» гидросферы: ночью холодная вода поглощает газы, днем теплая вода выделяет их, под влиянием освещенности происходят суточные миграции планктона: днем — на глубину, ночью — к поверхности.

В классификации А.С. Монина и других (1974) пространственно-временные масштабы явлений в атмосфере и гидросфере включают: мелкомасштабную (от долей секунды до десятков минут), мезомасштабную (от часа до суток), синоптическую (от нескольких суток до недели — для атмосферных и до нескольких месяцев — для океанологических процессов) и крупномасштабную (многолетнюю) изменчивости. Эта классификация вполне соотносится с выделенными ранее ритмами.

Общие замечания о ритмах.Закон целостности географической оболочки исключает возможность существования изолированной ритмики отдельных компонентов. Ритмичность явлений — это форма своеобразного «дыхания» географической оболочки как целостной системы, и задача исследователя состоит в поиске и установлении связи между ритмами разнообразных географических процессов.

Вследствие пространственной изменчивости своей структуры географическая оболочка реагирует неодинаково на синхронные (одновременные) и периодические внешние возмущения. Поэтому наблюдается сдвиг фаз ритмов во времени и пространстве, что придает природе определенную мозаичность.

Ритмические процессы, как и круговороты вещества, не замкнуты. Всякий географический ландшафт изменяется с возрастом, поэтому ритмические явления, протекающие на фоне непрерывного развития географической оболочки, не могут повторить в конце ритма первоначальное состояние — каждый географический процесс происходит только один раз. Поэтому при исследовании ритмики и установлении их средних величин к числовым значениям добавляют частичку «квази», что означает «как бы» ритм той или иной продолжительности. Необходимо учитывать факты разновременных начал и окончаний ритмов разного происхождения и различной продолжительности, которые выделяются на основании неоднозначных фактов и критериев. Порой создается причудливая интерференция (наложение) периодов и циклов, указывающая на своеобразную нестационарность явлений, или скрытую периодичность, которую не всегда можно расшифровать.

Методы и способы изучения ритмики различны и во многом зависят от длины временного ряда, который анализируется. При исследовании непродолжительных ритмов дело обстоит лучше, поскольку репрезентативные ряды данных составляют до 100 лет. Продолжительные ритмы чаще всего не фиксируются прямыми наблюдениями, но проявляются при палеогеографических исследованиях или их изучают по косвенным признакам. Их установлению ученым помогают уже выясненные закономерности функционирования природных систем, отраженных в объектах географической оболочки.

Динамика биоты

Динамика биоты, помимо собственных циклов, отражающих совокупное влияние абиотических и биотических факторов, неразрывно связана с формированием и распространением ареала. Новые виды образуются путем изменения предковых форм, естественного отбора и сохранения наиболее приспособленных видов, победивших в борьбе за существование. Последнее проявляется в виде прогрессирующего биоразнообразия. Виды, попадающие в условия географической изоляции, дают начало ветвям филогенетического древа, все дальше отходящими от ствола сначала на уровне микро-, а затем и макроэволюционной дивергенции. Таким образом, формируются неповторимые черты биосферы, отличающиеся не только по составу видов, но и родов и семейств. Однако каждый вид существует только определенное время.

В.И. Вернадский отметил огромную внутреннюю потенцию живого вещества к растеканию по земной поверхности и назвал это явление «давлением жизни». Оно выражается во «всюдности» жиз-ни, в захвате ею всякого свободного пространства биосферы. Огромная энергия жизни определяется быстротой размножения. Растекание живого вещества контролируется только внешними силами, воздействие которых может проявляться ритмически. Жизненные процессы замирают при неблагоприятной (например, низкой) температуре, недостаточном количестве пищи, отсутствии места для обитания, из-за конкуренции с другими организмами. Если нет внешних препятствий, всякий вид в определенное для него время может покрыть весь земной шар. Некоторые примеры скорости расселения организмов приведены ниже (по О.Е.Агаханянцу):

Организмы Скорость заселения

Бактерии <1,8 сут

Насекомые 203—366 сут

Цветковые растения (клевер) ~11 лет

Рыбы (карп) ~12 лет

Птицы (куры) ~18 лет

Крысы ~8 лет

Слоны ~1000 лет

Наблюдаемые на протяжении фанерозоя мегаритмы в развитии органического мира тесно связаны с геологическими циклами. Можно говорить о сменявших друг друга во времени «волнах жизни», каждая из которых слагается из эпох появления, расцвета и вымирания группы организмов. Например, трилобиты в раннем палеозое, панцирные рыбы в среднем палеозое, различные рептилии в позднем палеозое — мезозое, млекопитающие и птицы в кайнозое. Та же закономерность характерна и для растений: эра папоротников продолжалась до середины перми, эра голосемянных — до середины мела, эра покрытосемянных зародилась в начале мелового периода и продолжается до наших дней.