Сторінка
1

Геофізика ландшафтів

Термін геофізика ландшафту в географічну літературу був запроваджений в середині 60-х років Д.Л. Армандом /1/. Своє бачення завдань нової дисципліни він виклав в праці “Геофiзика ландшафту”, яка вийшла друком у 1967 році - “наука про взаємодію компонентів ландшафту, тобто наука про взаємодію компонентів ландшафту, що аналізується на рівні i методами сучасної фізики”. Чому виникла потреба виділення в складі фізичної географії цього напрямку? Сама назва фізична географія зобов’язує до пізнання фізичних аспектів розвитку ландшафтної сфери. Але справа в тому, що це було розпорошене в різних дисциплінах - геоморфології, метеорології, гідрології та інших. Тому постановка питання про виділення окремої дисципліни, головним завданням якої б було вивчення фізичної суті ландшафтних процесів було обгрунтованим і своєчасним. Пізніше це досить просте i точне визначення геофізики ландшафту суттєво трансформувалося в бік його ускладнення і в той же час спрощення, не дивлячись на громіздкість формулювань, проблематики. Так вже в 1988 році /5/ К.Н.Дьяконов приводить наступне визначення ‘Геофiзика ландшафтів, точніше фізика географічних систем локального i регіонального рівнів, - напрямок в комплексній фізичній географії, який вивчає природно -територіальні комплекси, як функцiонально-цiлiстнi об’єкти, фізичну сторону взаємодії компонентів геосистем, їх метаболізм з середовищем, просторово-часову організацію матерії на рівні ландшафтної сфери Землі. Традиційна задача фізичної географії - аналіз факторів просторової диференціації i формування геосистем ( в тому числі i аналіз фізичних полів) - має також геофізичний аспект.’. Порівнюючи ці два визначення ми бачимо, що вони відрізняються в головному - зник аналіз “на рівні i методами сучасної фізики”. Обумовлено це, ймовірно, тим, що за час, що минув більш важливого значення в фізичній географії набув системний підхід i вчення про ПТК, а також усвідомлення того, що зведення природній явищ до фундаментальних фізичних законів є значно складнішим ніж це припускалося на початку. Так, наприклад, з позицій законів фізики не складає проблеми вивчення руху окремо взятої матеріальної частки, будь то краплина води, піску, чи молекули хімічних сполук. Але вивчення їх поведінки у природі, де їх рух регулюється не одним чинником, а їх комплексом i коли рухається взагалі все i не завжди відомо за рахунок яких джерел енергії, можливе тільки на рівні якісних моделей, які встановлюють або доводять наявність зв’язків між явищами і предметами, але не розкривають їх кількісну сторону. З цього приводу Н.Л.Беручашвiлi / 2 / писав: ‘Чому ця дисципліна називається геофізикою, а не фізикою ландшафтів? Приставка ‘гео’ підкреслює, що мова йде не про найбільш загальні властивості природи взагалі, а про загальні властивості географічної оболонки. Наприклад, до загальних рис природи відноситься знаходження речовини в чотирьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному i плазменному. Хоча останнє в географічній оболонці Землі не спостерігається. Окрім того, в сучасній геофізиці ландшафтів досліджується лише найбільш загальні фізичні властивості i явища шляхом вивчення елементарних структурно-функціональних частин, процесів функціонування, стану ПТК i т.п., а не детальних i складних аспектів фізичних впливів, що характерно для сучасної фізики. Можливо, фізика ландшафтів i буде розпрацьована, але це - справа майбутнього.’ Доречним виглядає визначення Н. Л. Беручашвiлi i визначення місця геофізики ландшафтів, як одного з розділів ландшафтознавства, а не граничної з традиційною геофізикою. Остання вивчає, за незначним винятком, не процеси в земній корі та на її поверхні, а стан осадової товщi i фізичні властивості гірських порід, безумовно, має велике значення i для ландшафтознавства, оскільки вони дають важливу інформацію про стан земної кори. До геофізичних методів досліджень, які вивчають процеси відносяться тільки деякі методи вивчення електричного поля землі, зокрема, природного електричного поля i телуричного струму, а також методи дослідження різних явищ в атмосфері Землі і зміни її складу. Співставляючи усі три визначення предмету геофізики ландшафту, а також співвідносячи їх з сучасними проблемами фізичної географії у цілому, приходимо до висновку, що приоритетне значення для ландшафтознавства має вивчення функціональних зв’язків у структурі ПТК і вивчення фізичних аспектів природних явищ має бути повністю цьому підпорядковане. Їх вивчення у відриві від інших явищ практично неможливе, і окрім того не може мати великого практичного і теоретичного значення. Тільки тоді, коли доведено, що цей процес закономірно повторюється при збігу тих, чи інших обставин, результати цих досліджень дають підставу говорити про наявність закономірності, існування якої обумовлено функціональними зв’язками в структурі геосистем. І тільки знання структури геосистеми, ролі кожного компоненту в механізмі її функціонування дозволяють передбачити розвиток цього процесу в залежності від змін, що відбуваються в структурі геосистеми. Аналіз сучасної фізико-географічної літератури показує, що в цілому більшість ландшафтоутворюючих процесів добре вивчена, але, як правило, без акценту на їх взаємозалежність, та участь в функціонуванню геосистем різних типів та рівнів / 1, 2/. Але, слід звернути увагу на те, що за винятком гравітаційного поля, роль решти геопотенційних полів практично зосталася поза увагою. Пояснимо, чому цю обставину ми виділяємо як одним з недоліків сучасної фізичної географії. Землі, як фізичному тілу, притаманні чотири геопотенційні поля: гравітаційне, магнітне, атмосферно-електричне та електричне. Для розвитку ландшафтної сфери найбільше значення мають дві властивості кожного з них, перша, це - можливість фізичного впливу на матерію, що проявляється при її переміщенні, а також при зміні агрегатного стану, і друга, це - неоднорідність будови геопотенційних полів, яка призводить до зміни ступеню їх впливу на матерію в просторі, та часі. Перша властивість визначає можливість участі геопотенційних полів в енерго-масообміні взагалі, друга - локалізацію їх впливу на матерію, що призводить до диференціації ландшафтної сфери. Що може бути запропоноване для виправлення з цієї ситуації? Один з варіантів це є ревізія фактичного матеріалу, який стосується різних процесів і явищ, і навіть таких які вважаються добре вивченими, а їх моделі сприймаються сьогодні як догми, з метою встановлення, на першому етапі гіпотетичних і статистичних моделей інваріантних геосистем і розробки їх фізико-математичних на другому етапі. Як обгрунтування необхідності такої ревізії приведемо наступній приклад. Процес еолової акумуляції традиційно в фізичній географії відносився до явищ суто екзогенного ряду, для прояву якого потрібно лише дві умови - піщана поверхня і відповідної швидкості вітер. При цьому головна роль в морфології акумулятивних еолових форм відводилася напрямку домінуючих вітрів. Але, в середині шістдесятих років, в зв’язку з широким використанням структурно-геоморфологічних методів в комплексі геолого-пошукових робіт, виявилося, що розміщення, орієнтування як окремих форм та і їх ареалів в значній мірі контролюється особливостями глибинної геологічної основи. Це явище було встановлене в різних регіонах і широко висвітлювалося в літературі /10, 18/. На превеликий жаль встановлення цього феномену не знайшло відповідної реакції в географічній науці, хоча це вже, безумовно, було вагомою підставою для перегляду існуючих уявлень на механізм еолоутворення, та його ролі в формуванні ландшафтної сфери. Аналогічною є ситуація і з такими процесами як карст, суфозія, деформаціями земної поверхні та іншими, коли також були виявлені їх зв’язки з особливостями глибинної геологічної будови. Здається, що географічна наука повністю ігнорували їх появу, відносячи їх тлумачення до компетенції геології. Але, виникає слушне питання, для якої галузі пізнання цих закономірностей має більше значення? Відповідь досить очевидно, якщо утворення акумулятивних еолових, карстових чи інших генетичних форм пов’язане з функціонування якоїсь геосистеми, а результат її діяльність якої на поверхні землі, то і вивчати її повинні ті, хто вивчає будову ландшафтної сфери. С цих позицій подальше ігнорування ландшафтознавцями фактів залежності розвитку ландшафтних процесів від особливостей геологічної будови, яка до речі в ландшафтознавстві називається не інакше як літогенна основа, є просто недоречним. Традиційно для природних наук першим етапом досліджень різних процесів і явищ є накопичення емпіричного матеріалу, який чисто статистичними методами дозволяє припустити наявність функціональних зв’язків і попередньо визначити структуру якоїсь геосистеми. Другим обов’язковим етапом, є дослідження фізичний і кількісних параметрів явища, ці результати дозволили б звести його до основних фізичних понять - розмір, маса, енергія, швидкість, часу. Наступним, і мабуть головним, етапом є опрацювання фізико-математичної моделі явища, яка б доводила реальність існування, чи відсутність функціональних зв’язків. I вже тільки на підставі результатів цього етапу досліджень можуть бути зроблені кінцеві висновки про структуру геосистеми, її вертикальну i горизонтальну межі, можливість прогнозування її динаміки та еволюції. Такий підхід до геофізичного аналізу ландшафтних процесів був реалізований під час вивчення процесу еолової акумуляції, його послідовність наводиться далі. Перш за все був визначений об’єкт досліджень - елементарні еолові акумулятивні ландшафти (ЕЕАЛ). А самі дослідження проводилися в такій послідовності: 1. Аналіз просторових залежностей процесу еолової акумуляції від особливостей геологічної будови; прогнозування функціональних зв’язків, що визначають локалізацію процесу еолової акумуляції; 2. Фізико-математичний аналіз впливу електростатичних сил на динаміку вітропіщаного потоку і на процес еолової акумуляції. 3. Визначення сфер практичного використання результатів досліджень: а - прогноз розвитку процесу еолової акумуляції під впливом природних і антропогенових змін в структурі геосистеми; б - методика ландшафтно-індикативного аналізу пошуку підземних вод, картографування тектонічних порушень, прогноз локальних нафтогазоносних структур. Аналіз, відомих з ландшафтно-індикативних досліджень закономірностей структурно-тектонічної залежності процесу еолової акумуляції показує, що на сьогодні встановлений його зв’язок: з лінзами підземних вод; з тектонічними порушеннями /9, 10 /; з синклінальними і ерозійними пониженнями першого від поверхні водотривкого горизонту /12/; з нафтогазоносними структурами /13/ і локальними електростатичними аномаліями (ЛЕА) /12/. В основу аналізу зв’язку ЕЕАЛ з ЛЕА були покладені результати польових електрометричних праць, виконаних в різних фізико-географічних зонах: зоні мішаних лісів (Українське, Білоруське та частково Польське Полісся), ландшафтів річкових долин лісостепової і степової зон України; зоні напівпустелі (п-ів Мангишлак), а також дані публікацій, що характеризують зв’язок ЕЕАЛ з особливостями глибинної геологічної будови; результати польових і лабораторних робіт, виконаних різними авторами, які описують еолові процеси і супроводжуючі їх електричні та інші явища. Особливості співвідношення ЕЕАЛ з геологічними структурами (наявність пухкого прошарку між поверхнею та монолітними верствами), виключали можливість існування механічного зв’язку між ними, зоставалося припусти тільки можливість дистанційного впливу геологічних утворень на динаміку еолових процесів. Як один з варіантів такого зв’язку в 60-і роки припускався вплив похованих геологічних об’єктів (ПГО) за посередництвом гравітаційного поля. Проведене співставлення даних детальних гравіметричних та магнітометричних досліджень з результатами геоморфологічних досліджень не виявили кореляційних зв’язків між будовою цих полів та розташуванням ЕЕАЛ. Окрім польової перевірки, був виконаний і теоретичний аналіз який теж показав неможливість локального впливу гравітаційного та магнітного полів на динаміку вітропіщаного потоку. Після цього було зроблено припущення, що вплив ПГО на динаміку вітропіщаного потоку здійснюється за посередництвом електростатичного поля. Передумовами для такого припущення послужили: 1 - диференційована будова електростатичного поля Землі /17/; 2 - електризація піщаного матеріалу під час еолового транспортування /23/. Наявність цих двох передумов призводить до виникнення ситуації, коли починає діяти один з фундаментальних фізичних законів - закон Кулона. Електрометричні виміри, виконані на Поліссі, в долинах рік Дніпра, Ворскли, Сіверського Дінця і на піщаних поверхнях п-ва Мангишлак показали, що акумуляція еолового матеріалу зосереджена в межах ЛЕА інтенсивністю: на Поліссі - до -750 в/м (рис.2.1.); в долинах річок степової і лісостепової зон до -400 в/м; на піщаних масивах п-ва Мангишлак - -100¸ -200 в/м. Було також помічено, що інтенсивність ЛЕА збільшується в місцях розвитку молодого еолового рельєфу. Для теоретичного обгрунтування можливості впливу електростатичних сил на процес еолових акумуляції була розроблена наступна фізико-математична модель. Під час переносу піску вітром між його швидкість і масою піску складається динамічна рівновага. При проходженні вітропіщаним потоком ЛЕА до діючих раніше двох сил (силі вітру і гравітації) додається третя сила - електростатична, яка виникає в результаті взаємодії електричних зарядів піщинок з ЛЕА. В наслідок цього відбувається порушення первинної рівноваги, що веде до осідання частини піщаного матеріалу з потоку на поверхню. Оцінка механізму впливу електростатичних сил, з урахуванням симетричності електризації дає наступні результати. Притягування до поверхні додатньо заряджених піщинок підсилює їхнє тертя і знижує швидкість переносу, відштовхування від поверхні від"ємно заряджених піщинок призводить до підвищення швидкості їхнього переносу. Проаналізуємо, з урахуванням змін швидкостей різнозаряджених піщинок, мо- жливі зміни в енергомасопереносі в межах ЛЕА. В нормальних умовах енергія маси піску (W) дорівнює