В. Н. Каразіна 25-річному Ювілеєві першої в Україні природоохоронної кафедри

Вид материала

Документы

Содержание 1.1.2. Структурна організація земної поверхні Простір у геосистемній концепції має різну структуру в залежності від рангу досліджуваної геосистеми. Час Стала неврівноваженість 1.2. Флювіальна геоморфосистема 1.2.2. Просторово-часові відносини у ФГМС 1.2.3. Простори ФГМС В. Рельєфові властива багатовимірність власного простору, хоча упакування форм рельєфу відбувається в тривимірному фізичному про 1.2.4. Час ФГМС 1.3. Структури фгмс Сферична симетрія Конічна симетрія Білатеральна симетрія 1.3.4. Топологічна симетрія / асиметрія ФГМС 1.3.5. Анізотропія ФГМС 1.4. Структурна організація фгмс 1.4.2. Вторинні структурні елементи 1.4.3. Третинні структурні елементи

Подобный материал:

• Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна назва роботи, 8.52kb.
• Українське/національне в радянській офіційній політиці пам’яті про примусову працю, 342.65kb.
• М.І. Пирогова «затверджено» на методичній нараді кафедри Завідувач кафедри 200 р. Методичні, 265.61kb.
• Г. О. Кулєшова, аспірантка кафедри соціально-економічної географії І регіонознавства, 113.14kb.
• Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни харківський національний університет, 200.57kb.
• Розпорядження, 501.27kb.
• України Суми "Видавництво СумДУ", 1850.09kb.
• Р І шенн я, 1135.29kb.
• Затверджено наказом ректора Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, 88.61kb.
• Р І шенн я про Програму розвитку туризму у Володарському районі на 2008-2010 роки Відповідно, 259.78kb.

1.1.2. Структурна організація земної поверхні

Відповідно до сучасних уявлень, базовим поняттям фізичної географії, що має слугувати її об‘єктом, є характерна просторова структура, що існує як самоорганізована цілісність – геосистема. Як геосистему розуміють таку сукупність структурних одиниць нижчого ієрархічного рангу, які взаємодіють поміж собою певним чином залежно від внутрішніх властивостей кожної з них, їхнього просторового положення та топологічних відношень (сусідство, ієрархія). Геосистема є тривимірним (тобто просторовим у загальновідомому смислі) утворенням ².

Поняття геосистеми не є ієрархічно однорівневим, тобто існують у природі досить різні за масштабами і особливо – за способом підпорядкування геосистеми. Але досі їхня строга ієрархія не встановлена, що є певним нонсенсом щодо географії. Відомо лише те, що геосистемою найвищого рангу є географічна оболонка (комплексна геосфера), а геосистемою найнижчого рангу є топологічна структура рангу урочища у ландшафтознавстві (бо морфологічні одиниці нижчих рангів є елементними). Досить різнобічний аналіз поняття геосистеми є у згаданій монографії О.М. Ласточкіна.

На відміну від класичної географії, де основним способом виділення складових одиниць будь-якої системи є просторовий, що найбільш чітко проявляється у морфологічній структурі географічного ландшафту, геосистеми вирізняються переважно за структурно-функціональними рисами. Через це, як правило, геосистема не є однорідною ділянкою території (якою за визначенням є морфологічний елемент ПТК у ландшафтознавстві), а становить певну різноманітність і водночас єдність різнорідних ділянок, що поєднується у цілісність потоками речовини, енергії й інформації.


Будь-яка геосистема функціонує у певних просторово-часових масштабах. Геосистема не є, як правило, стаціонарним утворенням (у строгому фізичному розумінні поняття), бо її стан залежить від часу фіксації параметрів, а незмінність стану – частіше виняток, аніж норма. Вона не є врівноваженим утворенням з двох причин:

- бо зовнішні умови функціонування постійно змінюються;

- через те, що геосистема гетерогенна, причому кожна генетично (але й структурно) відмінна складова існує, “живе” за власним характерним часом, через що досить часто власні (тобто внутрішні) ритми коливань параметрів не співпадають, а лише корелюють поміж собою.

Геосистемна концепція в цілому спирається на розуміння простору і часу в різному сенсі. Простір у геосистемній концепції має різну структуру в залежності від рангу досліджуваної геосистеми.

Час у геосистемній концепції існує принаймні в трьох формах. Зовнішній час відповідає, в основному, природним ритмам, що незалежні від рельєфу (космічні і телуричні чинники). Поряд з ним, є внутрішній час. Він є іманентною властивістю геосистеми. Звичайними є фази розвитку, коли кожна фаза незалежно від фізичної тривалості (дління) має значення одиниці часу (свого роду «топологічний час»). Є також час функціонування, що має дискретно-пульсуючий режим. Існують час реакції і т.п.

Ключовою властивістю геосистеми є баланс речовини-енергії. Стала неврівноваженість – це такий стан геосистеми, коли нею підтримується певний (кількісно незначний) дисбаланс приходу-видатків речовини/енергії. Завдяки йому відбуваються процеси самоорганізації: механічна робота, перетворення енергії (з витратою частини її на дисипацію), впорядкування й удосконалення структури. Отже, рівновага, якщо розглядати її щодо геосистеми, не є станом, котрий ми знаємо з побутового досвіду. Образно, стійка неврівноваженість нагадує стан людини під час сильного вітру, коли для того, щоб втриматися на ногах, вона має нахилятись проти вітру так, щоб навіть центр ваги опинився поза меж площини опору. Отже, така людина здатна утримуватися у стійкому стані лише за рахунок протидії зовнішній силі. Це і є груба, але образна модель системи у стані стійкої неврівноваженості.

Геосистема у стані стійкої неврівноваженості здійснює, як тепер вважається, три типи рухів ⁴:

- розвиток, тобто таку послідовність змін, котра не відтворюється надалі і лише частково залежить від стану зовнішнього середовища, оскільки воно є джерелом ресурсів розвитку;

- динаміку (у точному смислі слова) – сукупність змін, як правило, спричинених ритмікою стану зовнішнього середовища, причому ці зміни є зворотними;

- функціонування – сукупність рухів усередині геосистеми, котрі спрямовані на підтримання нею певного стану (гомеостазис).

Зрозуміло, що така класифікація рухів, притаманних геосистемі у часі, є досить умовною, але вона зручна через те, що має досить чіткі фізичні критерії.

Розвиток геосистеми є, вважають, циклічним процесом, тобто таким, де реально існують початок і кінець:

- геосистема проходить цикл розвитку через зміну послідовності фаз (закон послідовності фаз розвитку за В.О. Боковим), котрі можуть чергуватися лише у певному, еволюційно закріпленому, порядку. Перестановка таких фаз (подій) неможлива (закон некомутативності геосистемних подій В.О. Бокова)

Досить часто цей порядок набуває жорсткості сукцесії, коли новий стан геосистеми неодмінно слідує за попереднім, тому дослідник може його спрогнозувати й за потреби - попередити. Іншими словами, існує в природі порядок, що схожий на топологічний час, коли кожний стан неодмінно наслідує попередній, але тривалість їх може бути якою завгодно різною. Через це:

- дві чи більше геосистем, навіть якщо вони є ієрархічно однаковими, можуть розвиватись за одним і тим самим сценарієм, але водночас не синхронно (що реально найчастіше спостерігається у природі географічної оболонки (закон метахронності розвитку географічної оболонки за К.К.Марковим).

Геосистеми конкурують поміж собою за простір, енергію, речовину тощо. У цьому суперництві найчастіше перемагає та геосистема, що найефективніше сприяє надходженню речовини й енергії й найефективніше їх переробляє (закон максимізації енергії Одума).

Геосистеми домагаються максимально можливої різноманітності. На нашу думку, різноманітність зростає доти, доки вистачає енергії, що надійшла ззовні (закон максимальної різноманітності Шеннона).

Найскладнішим є функціонування геосистеми. На відміну від попередників, котрі досліджували функціонування геосистем (О.Д. Арманд, Н.Г. Беручашвілі, В.О. Боков та ін.) вважаємо наступне:

- нормальним станом геосистеми є неврівноваженість, що самодовільно підтримується односпрямованими потоками речовини та енергії ¹¹,³²,³⁶.

1.1.3. Структура рельєфу: внутрішній і зовнішній концентри існування

Панує інтуїтивне розуміння форми як зовнішніх обрисів об'єкта і загальнонаукове - як системи стійких зв'язків, організації змісту.

Детальне дослідження співвідношення цих і інших понять зробив видатний російський геофізик М.О. Флоренсов: "В современном естествознании форме Гегеля как системе устойчивых связей частей целого ближе всего соответствует понятие "структура", и таким образом, правильно было бы говорить о структуре как внутренней форме тел (явлений) и, в свою оче­редь, о форме как внешней их структуре " (див. ³⁹, с. 41).

Ми надалі розрізнятимемо зовнішню і внутрішню форми рельєфу в такий спосіб.

Наглядні обриси рельєфу, його пластика - те, що ми спостерігаємо в рельєфі безпосередньо – становлять його зовнішню форму, чи користуючись традиційною термінологією - морфологію рельєфу.

Внутрішню форму ми свого часу назвали структурою рельєфу, дотримуючись загальнонаукового розуміння цього терміну в методології системно-структурного аналізу. Внутрішньою формою – тобто структурою рельєфу - є властивості рельєфу, що управляють процесами - організують літодинамічний потік, у вузькому сенсі - поверхневий рух речовини. Значення внутрішньої форми полягає в тому, що вона організує рельєф у єдину матеріальну систему.

Геоморфосистеми є одиницями ієрархічної структурної організації рельєфу. Вони можуть мати різну генетичну природу. Надалі мова йтиме переважно про флювіальні геоморфосистеми.

Зважаючи на ряд обставин – саме широке поширення флювіального рельєфу, його переважання на обжитих територіях суходолу, але перш за все – очевидність певного порядку, притаманного цьому рельєфові, системний підхід до нього (навіть і без застосування специфічного понятійно-термінологічного апарату) набув досить широкого застосування.

Ряд досить відомих геоморфологічних робіт відображали будову й функціонування такого рельєфу ще до визнання системного підходу. Крім робіт згадуваних у Вступі класичних досліджень Хортона з його системними законами «гідравлічної геометрії», це дослідження річкових систем Н.Н. Гарцмана (див. ⁷), О.В. Позднякова ²⁴, О.І. Спирідонова 33, В.П. Філософова ³⁷, ³⁸ та ін. Саме ці роботи стали канвою для подальшого вже свідомого вторгнення системології в аналіз флювіальних геоморфологічних систем ²¹,²⁶,³⁰,⁴⁵.

У свою чергу, нова методологія спричинила появу нових прикладних досліджень і відповідних розробок, перш за все у сфері автоматизованого й автоматичного аналізу дистанційної інформації про флювіальний рельєф, що стали основою включення відповідних алгоритмів і розробки програм до потужних комп‘ютерних систем проектування, розпізнавання місцевості, орієнтування тощо.


У той самий час, виникла потреба вилучення й більш глибокого усвідомлення саме морфологічної інформації як фізіономічного образу флювіальної геоморфосистеми. У цьому напрямі здійснювалися дослідження автора розділу з колегами, що узагальнюються нижче ¹⁵,⁴⁶,⁴⁷, ⁵⁰.

Досить складним у геосистемній концепції є співвідношення онтологічного та гносеологічного щодо поняття геосистема. З одного боку, геосистеми є, як зазначалося, природними утвореннями, бо процеси функціонування (енерго-масопереносу) підкоряються структурі (внутрішній формі) такої системи, котра визначає її організацію. Крім того, геосистема певного ієрархічного рангу включається до системи більш високого рангу як підсистема, водночас будучи над системою щодо систем ще нижчих рангів. Нарешті, кожна з геосистем саморегулюється, водночас відбиваючи той самий процес у геосистемі вищих рангів і впливаючи на нього у геосистемах нижчих рангів. Найпереконливіше це можна побачити на прикладі саме флювіального рельєфу, де кожний водозбір повністю відповідає названим рисам. Отже, геоморфосистеми слід онтологічними утвореннями, тобто такими, властивості системної організації котрих притаманні їм генетично.

Щодо гносеологічного статусу таких систем, то він до певної міри визначається онтологічними властивостями, але все ж має у собі суттєві риси залежності від дослідника. Про це свідчить, зокрема, відомий факт того, що різні дослідними, вивчаючи такі онтологічні геосистеми, як ФГМС, приходять до якісно різних висновків, котрі інколи є суперечливими. Це, зокрема, стосується й нашого дослідження, де досить часто властивості геосистем описуються як іманентні, натомість інші геоморфологи їх або не визнають, або не помічають. Це особливо стосується просторово-часових відносин і відповідних шкал або мір, а також явищ симетрії, анізотропії та ін..

Остання обставина не є органічною вадою парадигми. Вона свідчить про пізнавальну незалежність дослідника від онтологічного статусу об’єкта, тобто можливість розглядати останній різнобічно.

1.2. ФЛЮВІАЛЬНА ГЕОМОРФОСИСТЕМА


1.2.1. Геоморфосистема


Поняття геоморфосистеми стосується закономірної сукупності візуально окреслених форм і елементів поверхні, котрі поєднані поміж собою узгодженою структурою, єдністю умов функціонування, тобто потоками речовини/енергії, й спільною механізмом їхнього саморегулювання, що виникає спонтанно.

З інформаційної точки зору, закономірна сукупність (композиція) нерівностей різного розміру у своїх правильних сполученнях і чергуваннях, що проглядають крізь мережу випадковостей, визначає морфологічну сутність геоморфосистеми. Структурно вона виявляється в тому, що елементи, форми, композиції форм - неодмінно мають морфологічну виразність. Вони обов‘язково помітні й однозначно різняться поміж собою візуально і сполучаються у певних порядках, тому чітко виділяються з навколишньої загальної поверхні за зовнішніми обрисами. Завдяки останній властивості, тобто певному порядку чергування природних елементів і форм, штучні форми відразу вирізняються на рельєфі і досить легко розпізнаються.

У цій роботі маємо обмежити предмет вивчення лише геоморфосистемами флювіального ряду. Поряд з ними, геоморфологією мають вивчатися геоморфосистеми інших функціонально-генетичних рядів – денудаційного, еолового, кріогенного, аквально- та субаквально-морського. Але у даній роботі вони не розглядаються. Отже, надалі йтиметься про флювіальні геоморфосистеми (ФГМС) – тобто геосистеми, складові котрих поєднуються у ціле через флювіальний процес. Останній є генетичним різновидом геоморфологічного процесу. Флювіальний процес образно можна назвати стрижнем ФГМС.

Флювіальний процес є притаманним тій частині рельєфу земної поверхні, котра розвивається дією текучих вод. Обмежимо поняття ФГМС лише такими складовими флювіального рельєфу, котрі актуально є ареною флювіального процесу. У такому разі, не весь флювіальний рельєф може розглядатися як ФГМС, тобто між цими поняттями немає однозначної відповідності. У флювіальному рельєфі є елементи, що реально не беруть актуальної участі у енерго-масопереносі, будучи законсервованими чи залишаючись реліктовими. ФГМС обмежується тими елементами рельєфу, що безпосередньо взаємодіють актуально, беручи участь у згадуваному літодинамічному потоці. Характерною і необхідною (але недостатньою) властивістю ФГМС є саморегуляція літодинамічного потоку, про що неодноразово писали різні дослідники, у тому числі автори цієї роботи. В часовому розрізі, ФГМС має ще й більш складну властивість самоорганізації, тобто здатність підтримувати, відновлювати й удосконалювати структуру і функції геоморфологічного процесу, у якому літодинамічний потік є його частиною.

Отже, на нашу думку, до ФГМС належать лише ті комплекси флювіального рельєфу, котрі мають наступні властивості:

• морфологічну виразність: звичайно це водозбір визначеного порядку, включаючи лінії стоку і гребені (лінії вододілів), що є основними організуючими елементами ФГМС;
  
• динамічну єдність: кожна точка ФГМС постійно знаходиться в динамічній єдності з іншими її точками;
  
• сталу неврівноваженість процесу: у кожній точці рельєфу (крім гребенів) відбувається односпрямований процес енерго-масопереносу, що фізично можливий тільки тоді, коли є градієнти властивостей, тобто стійкі в часі просторові відміни;
  
• саморегуляцію: здатність спонтанно підтримувати чи регулювати процес енерго-масопереносу, що призводить до формоутворення автономно від зовнішніх умов чи, навпаки, в залежності від них.
  

1.2.2. Просторово-часові відносини у ФГМС


Простір і час виступають у різних іпостасях у залежності від ступеня спільності розгляду явищ. У загальнофілософському сенсі простір і час – невід'ємні атрибути матеріального світу і єдино можлива форма існування останнього. Це проблема діалектики. У філософській літературі відношення до простору і часу різне. Простір тривимірний, він ізотропний, декартовий, час – одномірний, односпрямований, тому необоротний (час розвитку) ²⁰.

Різним, у цілому ж – іншим, є відношення до простору і часу в природничих науках, де простір може мати різну розмірність, різну структуру й організацію, але звичайно розглядається як зовнішня форма існування об'єктів. Час найчастіше визначається в абсолютних шкалах, в основі яких лежить визначене фізичне явище, завдяки чому час тече рівномірно. Точність встановлення часу визначається точністю квантування (шкала часу). У багатьох природничих науках (наприклад, фізика) час оборотний, інтервали часу задаються за певною шкалою розмірностей. Класичним прикладом є механіка, диференціальне й інтегральне зчислення - як засоби рішення фізичних задач.

Таким чином, простір у цих випадках є свого роду вмістилищем об'єктів, явищ, подій, час – шкалою, з якою співвідноситься тривалість і/або послідовність подій.


Однак, у деяких розділах фізики (астрофізика, наприклад) але особливо в історичній геології, еволюційній біології існує більш складне розуміння часу як закономірної послідовності процесів і станів, що лежить в основі розвитку (саморозвитку) об'єктів. Наприклад, в одній з останніх робіт з фізичних основ сінергетики досліджуються перші секунди існування Всесвіту, тому що протягом цього незначного (в абсолютній шкалі) часу густина речовини спала на десятки порядків (Великий вибух); відбувся нуклеосинтез і визначилися властивості Всесвіту на півтора десятка мільярдів років наперед. Навряд чи можливо було б в абсолютній шкалі часу взагалі співставляти явища, котрі за тривалістю розрізняються на 10 математичних порядків. Але за власним часом саморозвитку системи Всесвіту вони виявляються порівнянними.

У геохронології також прийнято зіставляти події, що в абсолютному часі непорівнянні. Наприклад, фанерозой складає ледве більш 1/10 від тектонічної історії Землі, але він вміщає в себе чи ледве не всі основні геологічні події, відомі людству. Ці події іноді зіставляються з деякою абсолютною шкалою (геохронологічна шкала – відносна й абсолютна), але можуть існувати самі по собі.


Досить сучасний аналіз цієї проблеми знаходимо у фундаментальній роботі В.І.Вернадського незважаючи на те, що її було уперше надруковано

понад 75 років тому і перевидано нещодавно ⁶.


1.2.3. Простори ФГМС


Простір у більшості природничих наук залишається деяким «мертвим» умістищем, абсолютом та інваріантом (стосовно якісно різних об'єктів). Неявно він вважається декартовим навіть у глобальних геологічних моделях розвитку Землі, хоча загальновідомою є сферичність загальноземного простору (крім хіба що геосферної плитної тектоніки). Через цю неточність, у геології та геотектоніці існують дотепер поняття «глобальної» трансгресії чи регресії, природні на плоскій Землі й неможливі на сфері, бо це означало б переміщення поверхні геоїду по радіусу Землі. Реальніше (з речовинно-енергетичних міркувань) вважати, що міняється форма геоїда (див. 1, гл.3).

Сферичний простір анізотропний через силу ваги. Тут же треба віддати належне тим тектоністам (як І.І. Чебаненко, наприклад), що розглядають сітки розломів на обертовій сфері, тому що останні не могли б утворитися в іншому (несферичному) просторі.

Регіональний рельєф наче «забуває» про сферичність Землі, тому що він спирається на поверхню геоїду, котра є базисом його розвитку так само, як площина базису денудації для схилу. Отже, можна представити регіональний (тим більше локальний) рельєф як розгортку відхилень від нульової поверхні, якою слугує геоїд. Через це, простір такого рельєфу стає декартовим, але в той же час він зберігає анізотропність, властиву сфері.

Значення анізотропії зростає в міру зменшення розмірності форм рельєфу. Так, рельєф континенту практично мало відрізняється від двовимірної поверхні, тому що співвідношення вертикальної протяжності з горизонтальними розмірами таке мале, що першою взагалі можна нехтувати. Середні і малі форми рельєфу, навпаки, мають співвідношення вертикальної і горизонтальної протяжності порівнянні поміж собою, і анізотропія проявляється у них як найважливіший чинник функціонування й саморозвитку.


Рельєф поверхні будь-якого типу формується завдяки властивостям тіл, що контактують, і процесам, що мають місце в зоні контакту. Форми рельєфу залежить також від часу, що пройшов з початку контакту.

Загальні властивості контакту, що виявляються в сучасних умовах:

- нерівна поверхня з позитивними і негативними елементами.

- інтенсивно йдуть різноманітні процеси (річковий стік, підземний стік, еоловий перенос, абразія і багато що інше). Завдяки наявності контактів рельєф здобуває дискретність, а геосистеми – об'єктивність існування як дискретних утворень на неперервній (континуальній) поверхні.


Урахування просторових (у тому числі геометричних) і часових характеристик дозволяє значно уточнити структуру й організацію геосистем, одержати більш репрезентативну інформацію про них. Простір і час можуть розглядатися як особливим образом закодована інформація (див.²,48). У геометрії простору екосистем відображена вся сукупність минулих і сучасних процесів. Метрика простору геосистем – це свого роду їхня структурна пам'ять. Приклади такого роду відомі з літератури щодо інших природних систем, зокрема, з ґрунтознавства («ґрунт-пам‘ять» та «ґрунт-момент» В.О. Таргульяна). У геоморфології неодноразово відзначалося, що структурні лінії різних порядків суть етапи формування каркасу ФГМС (див.³⁸,³⁹).

Рельєф земної поверхні є феноменом особливої природи, що відрізняється від інших «рельєфів». Ці відмінності визначаються характером його просторово-часової структурної організації. Це сукупна «мозаїчна» поверхня, що складається з геоморфосистем. Останні відносно відособлені у цілісні утворення у результаті просторово-часового квантування рельєфу і геоморфологічного процесу. ГМС відображають певний визначений ступінь дискретності природи земної поверхні: чим більше виявляється дискретність, тим більш об'єктивно виділяються ГМС. Вони різного масштабу, творять ієрархічно супідрядну систему – від елементарних поверхонь до найбільшої системи – земної поверхні суходолу. У ГМС співіснують і взаємно перетинаються різноманітні види простору і часу. Існують їхні зовнішні шкали, тобто такі, котрі не залежать від властивостей ГМС (світовий фізичний простір, планетний простір, фізична шкала, що задається годинник, комічними явищами, атомний час, час, що задається числом зовнішніх циклів, геологічний час) і внутрішні шкали, що відображають процеси, котрі протікають іманентно в ГМС (простір, що задається через характер сусідства ГМС; простір, обумовлений формою і симетрією об'єкта та ін.).

Просторові відносини рельєфу складні і не до кінця вивчені. Планетарний рельєф розглядається в сферичному просторі (відносно квазісферичної поверхні геоїда). Цей простір анізотропний і має складну симетрію сфери, що обертається навколо осі (одна вісь, незліченне число меридіональних площин симетрії й одна екваторіальна площина симетрії). Місце розташування в цьому просторі задається географічними координатами.

Тут наводяться твердження, що накопичені в багажі загального землезнавства, планетарної геоморфології і фізики Землі стосовно до фігури Землі, узятої в цілому, і можуть бути основою парадигми ГМС:

- тривимірність і замкненість простору. Просторова замкненість забезпечує зв'язок усіх точок земної поверхні.

- анізотропність простору, тобто перевага одних напрямків над іншими, спричинена наявністю гравітаційного поля, також асиметрією надходження сонячного світла, циркуляції повітря, поверхневого стоку та т. ін.

- обертання Землі і положення її в полі сонячної інсоляції, що призводять до інсоляційної асиметрії рельєфу.

- обертання земної сфери спричиняє силу Коріоліса – могутній фактор земної анізотропії.

Зовсім інші властивості притаманні рельєфові у звичайному розумінні – тобто як поверхні відхилень від геоїду, що утворюють форми рельєфу, зображуються на топографічній карті й вивчаються, відповідно, геоморфологією.

А. Найбільш загальна властивість – розподіл абсолютних висот: розподіл їх кумулятивних ймовірностей, що відображується гіпсографічною кривою (а підводного рельєфу – батиметричною кривою). В основі розподілу висот знаходиться кілька факторів, у тому числі процеси, що змусили розділитися материкові й океанічні брили (планетарна тектоніка – це зовнішній фактор, а не самоорганізація); закони формування подовжнього профілю складових річкових систем і ін.

Б. Структура такого рельєфу є відкритою. Вона виявляється:

1) у визначеному просторовому сполученні елементарних поверхонь (наприклад, сукупності елементарних поверхонь, що творять опуклий схил);

2) у генетично визначеному певному наборі первинних субстратів, на яких формується рельєф;

3) у наборі типів процесів (флювіальних, еолових, радіаційного обміну, карстових і ін.), що залежать від комплексу зовнішніх умов.

В. Рельєфові властива багатовимірність власного простору, хоча упакування форм рельєфу відбувається в тривимірному фізичному просторі.

Г. Ієрархічність рельєфу є іманентною, вона проявляється у природному квантуванні (приклад – структура деревоподібних флювіальних мереж), що виражається через дискретність, доповнену континуальністю поля висот. Дискретність і континуальність є взаємно доповнюючими умовами існування рельєфу земної поверхні.

Д. ГМС у тій мірі об'єктивні, у якій проявляється дискретність рельєфу. В міру зростання континуальності ГМС стають менш явними («розмиваються» фізичними й ін. полями рельєфу).

Е. Регіонально рельєф розглядається в плоскому двовимірному просторі – як визначене сполучення форм, комплексів форм, типів рельєфу, геоморфологічних районів, провінцій і т.п.(тому карта є найбільш адекватним його образом). У цьому просторі звичайною є білатеральна симетрія, що також найбільш ефективно досліджується картографічними засобами. Просторове положення задається переважно топологічно – по взаємному розміщенню елементів на площині (звичайно – проекцією на площину карти, також – космічного знімка).

Ж. На локальному і топологічному рівнях простір стає тривимірним декартовим. У той же час, він усе більш анізотропний в міру зменшення лінійних розмірів. В аналітичній геоморфології, котра, втративши назву, водночас витісняє інші способи подання морфології у комп‘ютерному представленні рельєфу, він може вироджуватися до одновимірного вектора, що відповідає кожній точці рельєфу. Підсилюється роль топології локального простору, відносного положення (відповідно, локальних систем координат). Наприклад, віддаленості від гребеня вододілу, послідовності елементів схилу і т.п., як, скажімо, у роботах А.М. Ласточкіна (див., напр., ¹⁶).

З. Досить часто спостерігається сполучення білатерального простору (планова конфігурація відносно осі річкової системи, де схили кожної річкової долини чи водотоку білатеральні – у формі листа рослини) і конічного простору замкнутих, опуклих і увігнутих форм рельєфу з відповідною симетрією (вісь і площини симетрії, що збігаються з віссю форми рельєфу). Конічна симетрія притаманна формам, що лежать «на боці» - вододіли, долини і т.д. Вона лише неявно використовується у морфологічному аналізі. Наприклад, коли говорять про асиметрію, то мають на увазі конічну модель простору, хоча явно її і не вводять. Тут є можливість додати й ін. форми простору і відповідних типів симетрії, що періодично обговорюються в геоморфології ¹⁰,³⁵ і ландшафтознавстві ¹⁹.


1.2.4. Час ФГМС


Фундаментальні уявлення про час узагальнені ще В.І.Вернадським ⁶, у наш час С.Морозом ²⁰, а стосовно геосистем – у роботах ²,⁴⁸.

Парадигма часу ГМС включає, на нашу думку, три визначальні парадигмальні позиції :

1. У рельєфі кожного типу і рангу ГМС мають власний характерний час.

2. ГМС прагне до деякого еквіфінального стану.

3. Це прагнення (певна еволюційна програма) закладене в первинній структурі кожного типу ГМС.


Час ГМС є вельми складним і неоднозначним поняттям, що неодноразово визначалося у геоморфологічних дослідженнях. Найчастіше для датування геоморфологічних подій використовуються шкали геологічного (відносного) часу. Досить часто користуються шкалами абсолютного (фізичного) часу. Давно існують, але досі не визначені конкретно шкали відносного топологічного часу (зародження, молодість, зрілість, старість), тому відповідні оцінки мають суто евристичний характер. Досить рідко вживається поняття функціонального часу, що має бути найбільш виразною ознакою ГМС. Нижче ми зосередимося переважно на його встановленні.

Знову таки звернімося до того, що при вивченні ГМС досліджуються різні часи і використовуються відповідні шкали. Насамперед, завдяки тривалому співробітництву геоморфології з геологією при описі рельєфу беруться за еталон відносні геохронологічні шкали. На жаль, досить часто це виявляється неефективним, тому що геологія характеризує об‘єкти в більш «грубій» шкалі часу, бо змушена охоплювати великі (в абсолютному вираженні) проміжки часу в мільйони, десятки і сотні млн. років. Тим більше, що через різні причини геологія користується відносним часом, еталоном котрого вважається еволюція видів (або навіть родів) морських молюсків, що жодного значення не має для геоморфології.


Отже, в принципі геологічна шкала часу не може бути основою для датування подій розвитку рельєфу, бо геоморфолог розглядає переважно рельєф суходолу і за відрізки часу значно коротші, аніж етапи еволюції будь-яких живих істот. У порівнянні зі шкалою геологічних подій геоморфологія розглядає, як правило, певну кількість зафіксованих у морфології етапів саморозвитку, свого роду «моментальних знімків» картини земної поверхні.

Через нерозуміння цієї фундаментальної відміни поміж геологією та геоморфологією, зайшли в глухий кут, на наш погляд, класичні теорії морфо-історичного й історико-генетичного описів рельєфу, тому що на рівні розуміння часу, властивому геологічній шкалі і сліпо скопійованому для датування рельєфу, досить швидко було вичерпано можливості деталізації його пізнання. Натомість геоморфологія досі не має власної більш тонкої й незалежної геоморфохронологічної шкали (ця наукова позиція була предметом докторської дисертації С.І. Проходського).

У концепції ГМС час останнім істотно змінив свою природу, бо саме він вийшов на передній план: при вивченні ГМС важливими є не походження, вік рельєфу (як вік скульптурованих або вміщуючих гірських порід зокрема), а наявні, активні просторово-функціональні відносини.

Реально складні процеси саморозвитку можуть бути розкладені на такі часові складові:

- власний необоротний час (час саморозвитку)

- оборотний час (час функціонування, саморегуляції, релаксації і т.п.);

- циклічний час: характерний час, що задається числом власних циклів;

- час як порядок подій;

- порівняльний час однотипних явищ в аспекті «раніше-пізніше»;

- час, що задається положенням системи на осі її еволюції від народження до старості і руйнування;

- час життя чи організації;

- еквіфінальний час.

Відносний час еволюції й функціонування ГМС ще спеціально не розглядався, і відповідні уявлення щодо ГМС просто запозичені з прикладної теорії систем, нерідко поки що без якого-небудь послідовного аналізу права на такі аналогії.

Еволюція складним образом співвідноситься із самоорганізацією. На думку автора, еволюція полягає в наступному:

- зменшенні контрастності по вертикалі і збільшення контрастності по горизонталі;

- збільшенні різноманіття процесів: воно, у свою чергу, є однією з причин збільшення різноманіття форм;

- збільшенні різноманіття форм, у тому числі (і переважно) за рахунок детермінації їхніх просторових сполучень і відносин.

Детермінація просторових сполучень і відносин виникає в умовах тривалої еволюції процесів, компонентів ландшафту і біосфери в цілому. З часом контрастність взаємодіючих тіл зменшується, але зростає розмаїтість явищ, у тому числі форм рельєфу.

Первинний рельєф земної поверхні був іншим, оскільки були інші більш контрастні тіла контакту. В даний час контакт твердої частини Землі і Космосу опосередкований корою вивітрювання, ґрунтом, рослинністю, гідросферою, атмосферою, що уповільнює й ускладнює процес морфогенезу.


1.3. СТРУКТУРИ ФГМС


1.3.1. Топологічна структура


Під топологією рельєфу ми раніше (див. ²⁶,⁴⁶,⁴⁴,⁵⁰ запропонували розуміти сукупність його неметризуємих властивостей, обумовлених:

• взаємним положенням і конфігурацією форм і елементів;
  
• типом, характером і специфічними проявами симетрії чи антисиметрії, а також асиметрією;
  
• типом ерозійного розчленовування;
  
• позицією і сусідством форм і елементів відносно інших;
  
• їхньою структурною ієрархічною підпорядкованістю.
  

Ці властивості найбільш строго проявляються в будові ФГМС.

В ФГМС найбільш загальні топологічні просторові відносини ми описуємо наступними твердженнями:

• немає інших елементів рельєфу, крім точок, ліній і граней, комбінаціями яких визначається вся його розмаїтість;
  

- каркас ФГМС створюють характерні структурні лінії - тальвеги і вододіли, що складають характерні деревоподібні топологічні структури;

- між двома суміжними тальвегами неодмінно є вододіл, а між двома суміжними вододілами - тальвег;

• тальвеги і вододіли упорядковані за топологічним положенням у відповідній деревоподібній структурі і по взаємному відношенню суміжних елементів структур тальвегів і вододілів поміж ними;
  

• між двома суміжними елементами каркасу завжди є грань;
  

- характерна точка рельєфу завжди належить вузлу однотипних структурних ліній;

• сполучення структурних ліній і характерних точок становить інваріант даного рельєфу.
  

До останнього часу у роботах інших дослідників термін топологія вживається переважно до мережі тальвегів, спроектованої на площину.

Перше використання поняття топології щодо мережі стоку належить Р. Шріву ⁵⁹. Адекватне (щодо змісту топології як математичної дисципліни) запровадження поняття топології здійснено одночасно Н. Гарцманом й І.Токанага. Н.Гарцман першим використав математичні поняття топології, топологічного простору, топологічної потужності річкової мережі й інші топологічні абстракції (логічні конструкти) для опису структури річкової мережі з гідрографічною метою на регіональному рівні[⁷]. Паралельно із ним, японський геоморфолог І.Токанага (I.Tokunaga) ⁶³,⁶⁴ віддав топології аналіз плоскої мережі флювіальних форм, залишаючи за геоморфологією та гідрологією дослідження цієї мережі у складі тривимірного рельєфу.

Значно раніше структуру мереж тальвегів та вододілів (не називаючи їх топологічними) використовував В.П.Філософов ³⁷,³⁸ для прикладного морфометричного аналізу рельєфу. Потім автор досліджував топологічну структуру ФГМС: мереж тальвегів, вододілів і перегинів схилу, вивів формули, що характеризують топологічну структуру мережі тальвегів, уперше запровадив строге визначення топологічного поняття "порядку рельєфу" і показав залежність від нього функціонування ФГМС ⁴³,⁵⁰. Очевидно, значення поняття “порядок рельєфу” для аналітичної геоморфології залишилося невідомим науковій громадськості, судячи з відсутності посилань на згадані роботи автора.

Починаючи з 90-х років ХХ ст. поняття топології набуло широкого вжитку у світовій геоморфологічній та особливо геофізичній літературі саме стосовно до плоскої (двовимірної) структури флювіальної мережі (крім згаданих, також ⁵¹,⁵²,⁵⁴,⁵⁵ та ін). До того ж, воно є типовим у ГІС (див. нижче).


1.3.2. Симетрія


Поняття симетрії і показника її відсутності – асиметрії, вживаються в геоморфологічній і ландшафтознавчій літературі досить часто і вельми таки довільно, хоча у суміжній геології воно вважається більш розробленим ⁴⁹. Аналіз цього поняття стосовно до рельєфу належить О.Г.Токарському ³⁵ та Б.О.Казанському ¹⁰. О.Г.Токарський запровадив поняття коефіцієнта гомологічності річкової долини (білатеральної подібності – І.Ч.) як відношення проекції гомологічної площини l до глибини долини h, що відповідає тангенсові кута α відхилення гомологічної площини від уявної площини симетрії:

tg α = l/h .


Б.О. Казанський узагальнив роль принципів симетрії стосовно до геоморфологічного аналізу .


За нашими уявленнями 20-річної давнини ⁴³, що їх ми дотримуємося й досі, поняття симетрії обіймає сукупність визначених просторових відносин елементів і форм рельєфу:

• порядок їхнього взаємного розташування,
  
• наявність особливих точок, ліній і поверхонь,
  
• спосіб їхньої ієрархічної супідрядності.
  

Геоморфологові слід усвідомлювати, що симетрія рельєфу є поняттям, досить відмінним від його класичного фізичного розуміння (напр., серед мікросвіту кристалографії). В геоморфології воно є досить умовним, образним поняттям, тому що в природі неоднорідного мезосвіту геоморфосистем, де перетинаються й взаємодіють детерміновані й стохастичні відношення, спричинені відмінами у складі й властивостях гірських порід, інших компонентів фізико-географічного оточення важко розраховувати на можливість досягнення абсолютної симетрії. У такому разі тип симетрії вдається розпізнати лише приблизно, при візуальному зіставленні визначеної морфологічної структури з її еталонами, що, як відомо з теорії симетрії, визначаються сполученням і числом характерних точок, ліній і граней.

В флювіальному рельєфі виявляються три типи симетрії: сферична (кульова), конічна і білатеральна.

Сферична симетрія обмежено проявляється в загальній формі планетарного рельєфу (висот геоїда) та в плановому рисунку флювіальної (напр., рисунку меандр) та вододільної мереж.

Конічна симетрія знаходить широке місце у будові земної кулі в цілому у поєднанні зі сферичною симетрією (через наявність земного тяжіння, за І.І. Шафрановським та П.П. Плотніковим ⁴⁹ та вертикальній будові окремих форм рельєфу (тобто таких, котрі мають єдину вертикальну вісь симетрії і форму, наближену до конусу: карстова чи суфозійна лійка (від‘ємна конічна форма), останець, що існує ізольовано, або ж пагорб (додатна конічна форма).

Білатеральна симетрія (симетрія листа рослини) найбільш універсально виявляє себе у ФГМС. Саме подібність правих і лівих частин поперечного перетину флювіальних форм - схилів, бортів долин і т.п. - завжди лежала в основі оцінок асиметричності рельєфу на противагу загальній думці про універсальне значення симетричності в класичних працях І. О. Головкінського, К. Бера, А.П. Павлова, Я.С. Едельштейна, І.С. Щукіна, К.І. Геренчука. У той же час, у ерозійному рельєфі деяких регіонів Євразії порушення симетрії білатерального типу скоріше правило, чим виняток, на що звернув увагу ще К.Бер.

Крім просторової, виділяється часова симетрія, за фізиком В.С. Готтом ⁸. Останній поняття симетрії розширив до такого, що відображає «процес співіснування й становлення тотожних елементів в певних умовах і у визначених відношеннях поміж різними й супротивними станами явищ», тобто він надав цьому поняттю динамічного змісту.


1.3.3. Асиметрія

Асиметрія флювіального рельєфу - сукупність відхилень від білатеральної симетрії, що виявляються у відмінах морфології і морфометрії протилежних схилів ерозійних форм і вододілів. Характерним прикладом асиметрії флювіального рельєфу може служити типова для річкових долин позальодовикової зони правобічність: круті корінні праві борти долин і терасовані ліві положисті схили. У долинах великих рік співвідношення ширини правого і лівого схилів сягає 1:10 і більше. Найчастіше, асиметрію розглядають як наслідок планетарного вихору (закон Коріоліса), а в генетичному відношенні - як деяку діагностичну ознаку, що характеризує тектонічні, структурно-літологічні й інші такого роду відміни. Але дослідження показують, що асиметрія виникає також через динамічні причини саморегуляції, зокрема, велику інерційність водних потоків, а також унаслідок різних умов експозиції протилежних схилів, через що на них виникають різні геоморфологічні процеси й формуються відповідні відмінні екологічні умови існування рослинності – одного з дієвих факторів закріплення поверхні і саморегулювання флювіального процесу.

В асиметрії, безумовно, виявляються умови походження, розвитку і функціонування рельєфу в асиметричному середовищі, що передбачене відомими принципами Кюрі: симетрія (асиметрія) явища відображує симетрію (асиметрію) умов його розвитку. Асиметрія - це внутрішня властивість морфологічної структури, що відображає собою асиметрію (і анізотропію) зовнішнього середовища. Остання задається трьома факторами:

• силою ваги, що створює фундаментальну анізотропію географічного простору,
  
• силою Коріоліса (планетарним вихором), що формує латеральну асиметрію геоморфосистем,
  
• асиметричністю сонячного сяйва щодо сторін світу, у результаті якої мають прояв різні за інтенсивністю й тривалістю процеси енерго-масопереносу. У сполученні з останніми, асиметрія рельєфу відбиває асиметрію середовища: інсоляції, циркуляції повітря, мікрокліматичних відмін схилів і їхню екологічну неоднорідність, обумовлену сполученням факторів середовища, що проявляється у відмінах ґрунтово-рослинного покриву.
  

Ф. Мільков [¹⁹ надав аналізові ландшафтної асиметрії, в основі якої лежать перелічені вище загальні принципи, емпіричної визначеності. Проаналізувавши структуру природних комплексів, він вперше встановив класи, генетичні типи і географічні види асиметрії, в основі яких багато в чому лежить асиметрія рельєфу. Перш за все, він виділив два класи асиметрії ландшафтних комплексів: повної, чи морфологічної, і неповної, або структурної.

Остання може виявлятися в умовах симетричного рельєфу за рахунок неповного повторення на симетричних формах різних композицій фацій і урочищ через кліматичну й екологічну асиметрію середовища.

Генетичними типами ландшафтної асиметрії Ф. М. Мільков називав наступні: загальнопланетарну, викликану добовим обертанням Землі; тектогенну; структурно-геологічну (напр., куести) і топогенну (за рахунок моноклінального падіння шарів гірських порід); інсоляційну і циркуляційну, обумовлені надходженням сонячної радіації і переважанням певного напряму пануючих вітрів. Гідродинамогенна асиметрія являє собою прояв динаміки природних водотоків (наприклад, меандри), а еоловогенна - діяльності вітру (залежно від рози вітрів). У зоні діяльності льодовиків відома гляціогенна асиметрія. Окремим випадком асиметрії, що залежить від інших проявів (наприклад, структурно-геологічної асиметрії), є асиметрія зсувного походження (зсувогенна).

Як географічні види асиметрії Ф.Мільков виділяв її конкретні прояви на визначеному типі ландшафтного комплексу, в основі якого завжди лежить рельєф. Це асиметрія річкової долини, балки, межирічного плато, різних екзотичних форм і комплексів форм рельєфу.

Так, загальновідоме поняття «асиметрія річкових долин Півдня Росії» означає, що правий і лівий борти кожної долини так істотно розрізняються за комплексом властивостей (геологічна будова, форма схилів, розбіжності ухилів і т.д.), що не можуть морфологічно порівнюватися. Ще ширше поняття «асиметрія ландшафтних комплексів», у якому до морфологічного додаються й інші, у тому числі мікрокліматичні, режимні й ін. відміни протилежних схилів.


1.3.4. Топологічна симетрія / асиметрія ФГМС


Приймемо надалі, що топологічна симетрія/асиметрія - це така міра порядку (або його відсутності - у другому випадку, що під рискою), коли можна приблизно встановити точку, вісь або площину, щодо якої порівнянні морфологічні риси правої і лівої частин форми рельєфу є схожими або подібними. Виділення осі (або, у тривимірному випадку – площини) є єдиним критерієм топологічної білатеральної симетрії.


Щоб якось зменшити таку приблизність у вживанні терміна, звернімо увагу, що в приведених випадках оцінки асиметрії/симетрії мова йде, власне кажучи, про ступінь різниці схилів, але не про дійсну симетричність чи відхилення від неї по відношенню до площини симетрії. Очевидно, буде правильним, по-перше, відзначити, що мова йде про один й той самий тип симетрії – білатеральну, по-друге, що ми не зіставляємо в точності протилежні схили (як би не згортаємо розкриту книгу – прообраз білатеральності), а тільки порівнюємо наступні властивості:

- зовнішній вигляд поверхні кожного зі схилів,

- геологічну будову поверхневих відкладень,

- горизонтальне і вертикальне розчленування рельєфу,

і тільки лише на-око співставляємо морфометричні характеристики схилів. Саме тому, що така симетрія/асиметрія не є метрично точною, у подібних випадках правильно говорити про топологічну симетрію/асиметрію, чого ми й будемо надалі дотримуватись.

Неповна симетрія має назву дисиметрії. Дисиметрія, власне кажучи, є реальним проявом законів симетрії у такому складному й неоднорідному середовищі, котрим є рельєф, бо останній одночасно знаходиться під дією сукупності ендогенних, екзогенних та антропогенних чинників саморозвитку.

Наш досвід структурного аналізу рельєфу дозволяє звернути увагу на ті аспекти вивчення симетрії, що не мають поки ще належної оцінки з боку геоморфологів.

1. Прояв симетрії стосовно різних типів структури на топологічному рівні. Якщо абстрагуватися від метричних розходжень, властивих елементам рельєфу Землі різної розмірності (у фундаментальному змісті поняття "розмірність"), то будь-який самий складний рельєф можна визначити сполученням обмеженого набору форм і елементів. Для флювіального рельєфу такими будуть тальвеги і вододіли, поєднані гранями, а також деякі інші структурні елементи (лінії перегинів, особливі точки і т.д.), що зчленовуються за особливими правилами, властивими саме такому рельєфу. Цей підхід має бути застосований у фрактальному аналізі рельєфу, що полягає у вивченні й впорядкуванні самоподібних структур (див. нижче, частина 2).
   
2. Співвідношення дисиметрії рельєфу з властивостями середовища, за аналогією з генетичними типами асиметрії Ф.М. Мількова. Врахування загальнопланетарної, тектогенної, структурно-геологічної, інсоляційної, циркуляційної, гідродинамогенної, а в окремих випадках - і інших типів (еоловогенної, гляціогенної, зсувогенної) дисиметрії. Відповідно до згаданого принципу П. Кюрі, дисиметрія об'єкта знаходиться у визначеній відповідності із асиметрією його середовища. Це дає можливість структурно-генетичного тлумачення симетрії-дисиметрії, що спостерігається, і на цій основі - більш повного використання інформативності комплексів рельєфу.
   

Досвід показує, що рельєф у більшій мірі визначається саме такими особливостями – тобто проявами переважно топологічних властивостей дисиметрії/асиметрії чим загальним розподілом висот. Саме тому розпізнавання рельєфу (і морфологічне, і генетичне) ефективно здійснюється насамперед за характерними сполученнями елементів топологічної дисиметрії/асиметрії, бо вони створюють неповторний вигляд рельєфу, хоча поряд із цим для розпізнавання застосовується і топографо-геодезична матриця висот.


1.3.5. Анізотропія ФГМС

Анізотропія - ще одна фундаментальна властивість геоморфологічного простору в цілому і морфології ФГМС зокрема. Вона виявляється в наявності визначеної залежності властивостей рельєфу від напрямку, у якому ці властивості змінюються, а також від місця розташування точки, де спостерігається властивість. Загальних, первинних причин анізотропії дві: наявність сили ваги (гравітаційний фактор) і обертання Землі навколо осі (геострофічний фактор). Вторинними причинами є експозиція і крутість схилів рельєфу, через що, у свою чергу, формуються екологічні відмінності схилів і, відповідно, відбуваються якісно різні процеси енерго-масопереносу.

Як відомо, сукупність рухів твердої речовини відносно поверхні літосфери називають літодинамічним потоком. Це поняття такої ж глибокої абстракції, як жива речовина у вченні про біосферу В.І. Вернадського. Літодинамічний потік, відповідно до будови великого літосферного циклу речовини, складається із двох гілок: висхідної (тектонічне підняття) і низхідної, або спадної (денудація у широкому сенсі).

Анізотропія повсюдно виявляється в ФГМС в зв'язку з тим, що гравітаційні взаємодії є основними в літодинамічному потоці, а саме гравітаційне поле є анізотропним (гравітаційна анізотропія). Анізотропними є властивості схилів, спричинені експозицією та заляганням дислокованих гірських порід (структурно-літологічна анізотропія). Має також місце залежність властивостей від напрямку щодо лінії градієнта, від його величини (ухилу) і конфігурації ліній стоку, тобто динамічна анізотропія.

Реальними проявами анізотропії ФГМС є складні траєкторії спадних складових літодинамічного потоку, що визначаються структурою рельєфу, і односпрямованість цього потоку.

Переконливим свідченням анізотропії рельєфу є наочна ілюстрація, котру можна отримати з допомогою планшету рельєфної карти флювіального рельєфу. Вона часто використовується у навчальному процесі. Через не можливість навести цю карту у роботі, у якості її аналога візьмемо кольорове перспективне зображення (рис. 1-В,А)ⁱⁱ, і на ньому побачимо добре зрозумілу картину флювіального рельєфу, основою котрого є мережа річкових долин. Вода тектиме по схилах і далі прямуватиме річковими долинами, зливаючись у потоки все більшої потужності, і залишить територію у вигляді одного потоку для кожної флювіальної системи найвищого рангу.

Тепер перегорнемо планшет на 180⁰ так, щоб розфарбована сторона опинилась знизу. У нашому наочному прикладі це рис. 1-В, Б). Ми навряд чи пізнаємо той самий рельєф. Замість тальвегів тепер бачимо (на рис. 1-В,Б) виділені червоними лініями прості чи розгалужені пониження, у яких досить часто є замкнені заглиблення; досить рідко зустрічаються трійники, натомість багато вузлів, утворених різнопорядковими елементами. Гребені ж виглядають на такій карті як добре впорядкована й узгоджена за напрямом їх підвищення мережа тут вони виділені синіми лініями).

Якби на рельєфній карті у такому положенні ми розглянули імітацію флювіального процесу, то зрозуміли би, що вода стікала б зі схилів до понижень, але не змогла би утворити впорядкованого стоку (можна це спробувати на рельєфній карті). Натомість виникла б певна кількість самостійних озер, Впорядкованого руху води до гирл тепер немає. Отже, той самий рельєф набув інших властивостей, що спричиняють динаміку, відмінну від генетично обумовленої. На-око він не розпізнається як флювіальний.


1.3.6. Інваріант


Інваріант флювіального рельєфу, можливо, уперше досліджувався саме автором у докторській дисертації ⁴⁴, котрій передувала серія спеціальних досліджень і їх узагальнення. Було доведено, що структурні мережі рельєфу є інваріантними, бо вони визначаються елементами внутрішньої метрики – тобто такими, що не залежать від просторового положення самого рельєфу, тому зберігаються навіть в умовах наступних деформацій, фрагментування (напр., через розриви та розмивання) тощо.

Автором цієї частини книги разом із однодумцями (С.В. Костріков, М.В. Куценко, О.О. Жемеров та ін.) було уперше доведене вирішальне значення інваріантних ліній у відтворенні похованого рельєфу геологічних пасток субаерального генезису декількох родовищ газу і газоконденсату, бо саме вони були досить детально вивчені свердлуванням і сейсморозвідкою. Було встановлено, що інваріантні мережі прадавнього рельєфу стало відтворюються у будові наступних (тобто більш молодих) геологічних нашарувань, через що зберігається і наслідується загальний вигляд рельєфів різного віку, що складають структурну будову покладу у плані й навіть віддзеркалюються у геологічному розрізі.

Відповідно до цих результатів, поняття інваріанту є перш за все топологічним. Інваріант флювіального рельєфу включає у себе упорядковані (ієрархічні) мережі тальвегів і вододілів, а також лінії перегину схилів, що не утворюють суцільної мережі. Це поняття означає незмінність взаємного розміщення основних (топологічних) елементів з урахуванням їхніх порядків (Інваріантність необхідно використовувати як критерій подібності при моделюванні морфології рельєфу, а також у відтворенні палеорельєфу за його окремими фрагментами, що збереглися. Саме в такому сенсі відтворення рельєфу за будь-якими окремими ознаками означає, врешті-решт, пошук його інваріанта. Порівняння структурних планів, визначення конформності рельєфу (за Г.І. Худяковим) – це теж задачі порівняння інваріантів.

У сучасній світовій літературі термін “інваріант” вживається у розумінні, пов‘язаному перш за все з фракталами, бо останні будуються на інваріантних структурах мережі, що виявляються самоподібними незалежно від потужності. Особливо детально це поняття проаналізовано й математично визначено щодо плоскої флювіальної мережі у роботах західних дослідників ⁵¹-⁶⁴, де аналізу флювіальних мереж надається особливої уваги.

У той же час, дослідження мережі вододілів досі залишається суто «регіональною» темою студій російських і українських вчених, а сукупність мереж тальвегів і вододілів як інваріанта рельєфу (а не окремої мережі) залишається здобутком представників Харківської геоморфологічної школи. Нижче ми розглянемо їх як топологічні структури ФГМС.

1.4. СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ФГМС


1.4.1. Первинні структурні елементи


Первинний елемент рельєфу - точка, тобто ділянка поверхні нескінчено малої площі. Оскільки точка належить деякій поверхні, її необхідно розглядати з найближчим оточенням.

З диференціальної геометрії відомо, що поверхня в найближчому оточенні точки буває одного з трьох видів: еліптична, гіперболічна і параболічна. Вони розрізняються за Гаусовою кривизною. Остання в еліптичних точках позитивна, у гіперболічних - негативна, у параболічних - нульова.

Точки різняться за характером найближчого до них оточення поверхні. У диференціальній геометрії використовують дві ознаки, що характеризують поверхню в оточенні точки: сталість знака кривизни чи його змінність (знакопостійна чи знакоперемінна відповідно) і положення відносно дотичної до даної точки площини (однобічна чи двобічна).

Точка - елементарна одиниця поверхні. Одновидові у згаданих відношеннях точки складають неперервні ланцюжки - лінії на поверхні, кожна з який характеризується своїми властивостями не тільки в геометричному, але і функціональному відношеннях. Відповідно до цих двох ознак, точки бувають всього трьох типів: еліптичного (знакопостійна й однобічна поверхня), гіперболічного (знакоперемінна й двобічна поверхня), параболічного (знакопостійна й двобічна поверхня).

Первинні структурні елементи рельєфу не залежать від його генетичного типу, залишаючись залежними виключно від морфологічної будови.


1.4.2. Вторинні структурні елементи


Вторинні структурні елементи залежать від генетичного типу рельєфу. Надалі розглядаємо вторинні структурні елементи флювіального рельєфу.

Усі види точок відповідають певним характерним лініям і граням рельєфу. Еліптичними є "командні" точки місцевості, тобто вершини додатних замкнутих форм рельєфу, гіперболічними - точки сідловин (перевалів). Сполученнями цих точок утворюються гребеневі лінії (лінії вододілів) рельєфу.

Параболічні точки створюють лінії перегинів схилу і лінії тальвегів.

Отже, звідси видно зв‘язок топології й метрики рельєфу: структурні лінії рельєфу – це впорядковані сукупності геометрично однотипних точок.

Зіставлення видів точок і типів ліній на поверхні дає можливість аналітичного виділення останніх по моделі рельєфу, щоб автоматизувати структурний аналіз. Як буде показано нижче, флювіальний рельєф можна ввести в комп‘ютер шляхом переліку апріорі визначених (за алгоритмом структурного аналізу) характерних точок (структурно-цифрова модель) або ж точок і ліній (структурно-каркасна модель), або описом таких ліній і точок на спеціальній мові (структурно-лінгвістична модель), що є основою відповідного структурного моделювання рельєфу.


1.4.3. Третинні структурні елементи


Третинними елементами, що є похідними від вторинних елементів, тобто структурних ліній, є грані рельєфу. Грані рельєфу є геометричним місцем точок поверхні літосфери, що знаходяться поміж двома структурними лініями різного типу. Отже, грані є залежними елементами флювіального рельєфу. Геометрично грані є або площинами, або, частіше, поверхнями, що мають довільну форму (тому вони зазвичай апроксимуються різними геометричними формами).

Функціонально грані рельєфу разом із мережею тальвегів є тією ареною, де, власне, відбувається рельєфоутворюючий процес, котрий детермінується положенням граней у просторі (тобто їхньою зовнішньою метрикою), чергуванням кривизн (елементом внутрішньої метрики). Але вирішальним є топологічне положення граней. За таким, їх можна поділити на три типи:

• грань поміж однопорядковими елементами мереж тальвегів і вододілів;
  
• грань поміж тальвегом вищого порядку і вододілом певного, нижчого за попередній, порядку;
  
• грань поміж вододілом вищого порядку і тальвегом нижчого, ніж попередній, порядку.
  

Рельєфотворний процес на кожній грані рельєфу ФГМС залежить від її структурної позиції щодо порядків тальвегів і вододілів, на які грань спирається. Найчастіше, як свідчить досвід, чим більшою є контрастність порядків структурних ліній, тим активнішим має бути рельєфоутворюючий процес. Знаючи це, можна апріорно передбачити, які ділянки рельєфу будуть розвиватися більш чи менш інтенсивно, незалежно чи, навпаки, у відповідності до зовнішніх факторів. Очевидно, що навіть в однорідних зовнішніх умовах буде спостерігатися диференціація темпів навіть однотипних рельєфоутворюючих процесів у залежності від топологічної позиції кожної конкретної ділянки, зокрема, кожної окремої точки ФГМС.

Звідси, приходимо до важливого висновку:

- саморозвиток рельєфу, рушійною силою якого, за нашим переконанням, є протиріччя між формою і рельєфоутворюючим процесом, є таким, що диференціюється і детермінується структурою ФГМС ⁴⁵.