О законе интенсивности физико-географического процесса

Понятие интенсивности является количественным. Интенсивность всегда выражается в каких-либо мерах, отнесенных к единице времени. Например, интенсивность прироста населения - в % в год, интенсивность парообразования в котле - в кг/м² х мин и т. д.

То же и в физической географии: интенсивность выпадения осадков, испарения, стока, денудации можно измерять в мм/год, интенсивность радиации - в кал/см² х мин, интенсивность производства биомассы — в г/га х год и т.п. Интенсивность частного процесса - это скорость, с которой в ходе его преобразуется или перемещается материя, слагающая соответствующий элемент физико-географической среды.

Поверхностный физико-географический процесс в понимании А. А. Григорьева представляет собой комплекс, сложное сочетание процессов. Если мы вводим понятие интенсивности этого комплексного процесса, то должны найти и какой-то объективный критерий (меру), которым мы эту интенсивность будем измерять.

В случае комплексного процесса мы встречаемся с положением, аналогичным тому, которое имеет место в математике при оперировании с комплексными числами (числами типа α + bi, где i = √-1). Имея два комплексных числа 2 + 3i и 3 + 2i , мы можем сказать об их действительных членах, что 2 < 3, а о мнимых, что 3i > 2i, но указать, которая из двух этих сумм больше, не представляется возможным.

Мало того, имея два типа физико-географических процессов, образованных теми же компонентами, но протекающих с различной интенсивностью, мы не имеем средств объективно сравнить интенсивность полученных комплексов. А. А. Григорьев пытается найти выход из положения, определяя наиболее интенсивный процесс, как процесс, отвечающий девяти сформулированным им условиям.

Из этих условий наиболее существенно первое: он должен отвечать максимальной равномерности ’’развития всех звеньев физико-географического процесса при наивысшей интенсивности каждого из них в пределах, обеспечивающих возможно максимальную интенсивность всех остальных” (Григорьев, 1946а,с. 153).

Этот вывод, однако, также заводит в тупик, так как понятие равномерности комплексного процесса оказывается столь же субъективным и неуловимым, как и понятие интенсивности.

Разберем два примера. 1. В густом лесу годовая продукция растительной массы равняется 100 т/км². Благодаря густоте леса процессы денудации подавлены и поверхностный смыв составляет всего 0,1 мм в год. В другом, более редком лесу продукция растительной массы достигает лишь 50 т/км², но зато менее связанные корнями и растительным войлоком частицы почвы смываются с интенсивностью 0,2 мм в год. В каком лесу господствуют более ’’равномерные” условия? В каком из них комплексный физико-географический процесс протекает интенсивнее?

Ясно, что на этот вопрос ответить нельзя, поскольку усиление одного процесса - денудации - несоизмеримо с ослаблением другого - воспроизводства продукции биомассы. Процессы качественно различны.

2. В пустыне интенсивно протекает эоловый аккумулятивный процесс, выражающийся в движении незакрепленных песков. Но стоит появиться на барханах первым кустикам селина или джузгуна, как начнется закрепление, и оборот песка на единицу площади уменьшится. Один процесс, не успев начаться, ограничивает другой, и никакая ’’возможно максимальная” интенсивность обоих процессов сразу оказывается невозможной.

Во втором из девяти условий А.А. Григорьев оговаривает оптимальное соотношение тепла и влаги, выражающееся в таком количестве осадков, которое немного превышало бы испарение. Далее также (с. 152) он уточняет, что количество влаги будет ’’оптимальным ... в том случае, если не только нет признаков оглеения и заболачивания, но и сколько-нибудь значительного отрицательного баланса карбонатов, а с другой стороны — отсутствует накопление и легко растворимых минеральных солей”.

Условия, обрисованные А. А. Григорьевым, напоминают существующие в южной части Среднерусской возвышенности. Попробуем нарушить их и посмотрим, что станет с физико-географическим процессом и его компонентами.

Представим себе, что западный перенос воздушных масс усилился. Последствием этого будет увеличение числа циклонов и количества осадков. Реки станут полноводнее, гидрографическая сеть — гуще. Эрозия и денудация ускоряются, быстрее начнут расти овраги. Интенсивность климатического, гидрологического и геоморфологического компонентов увеличится. Черноземы начнут деградировать, лес — наступать на степь.

В местах усиленного сноса почв интенсивность фитогеографического и соответственно зоогеографического компонентов понизится. А комплексный процесс придет в какое-то не в большее и не в меньшее равновесие, а просто в иное состояние, которое выразится в смене ландшафта.

Вообще процессы представляют собой как бы упругие связи, протягивающиеся между всеми элементами ландшафта. Стоит сдвинуть одни из них, и вся конфигурация изменится. Конфигураций может быть бесчисленное множество, но чтобы произвести их сравнительную и притом количественную оценку, нужно выбрать какой-то один элемент ландшафта, положение которого представляет для нас особый интерес.

Используем еще раз математическую интерпретацию рассматриваемых соотношений.

Когда мы имеем простую функциональную зависимость, например зависимость русловой эрозии от расхода воды на конкретном участке реки: e = ƒ(Q)

то мы в принципе можем выразить эту функцию каким-то уравнением и, продифференцировав его, найти изменение эрозии при увеличении или уменьшении расхода, т.е. найти производную de/dQ. По комплексный физико-географический процесс является функцией многих переменных, и прежде всего своих собственных компонентов: P = ϕ (x, y, z, … w).

Как известно из анализа бесконечно малых, продифференцировать такую функцию по всем переменным сразу мы не можем. Мы можем только, временно приняв аргументы у, z . . . w за постоянные, найти частную dp/dx производную, затем, приняв за постоянные х, z. . . w, также найти dp/dy и т. д.

Переводя это положение на язык географии и применяя его к рассматриваемому вопросу, получаем следующую теорему: количественно оценивать интенсивность физико-географического процесса мы можем, лишь считая ее зависящей от интенсивности какого-либо одного компонента. Какого именно, зависит целиком от нашего выбора. Однако, какой бы компонент мы ни избрали в качестве ’’своей колокольни”, отождествление его интенсивности с интенсивностью комплексного процесса всегда останется условным и научно, так же как и практически, бесплодным.

Несмотря на все усилия найти объективный и ’’справедливый” по отношению ко всем частным процессам критерий, А.А. Григорьев оказывается вынужденным пойти по этому пути. Нигде об этом прямо не говоря, он фактически смотрит на физико-географический процесс с точки зрения пользы для растительности. Действительно, условия максимальной интенсивности процесса, им сформулированные, - отсутствие заболачивания, оглеения, засоления, сохранение карбонатов, умеренный сток и т. д. — обеспечивают процветание растительности, даже, точнее, процветание экономически ценной растительности (так как в ином болоте продукция биомассы может быть больше, чем в степи).

А. А. Григорьев проводит точку зрения Д. И. Абрамовича, формулируемую им в положении: жизнь - сальдо физико-географического процесса. ’’Сальдо” здесь понимается фигурально как ’’окончательный результат” или ’’последнее достижение”. Точка зрения Д. И. Абрамовича была бы правильной, если бы интенсивность биогеографических процессов не отождествлялась при этом с интенсивностью гораздо более сложного и обширного физико-географического процесса и если бы все процессы неорганической природы не передавались целиком в область компетенции геофизики.

Что касается предлагаемого А.А. Григорьевым определения оптимального количества осадков и найвыгоднейшего соотношения балансов тепла и влаги, то они сразу приобретают и естественнонаучное и хозяйственное значение,, если перестать насильственно притягивать их к не имеющей однозначного решения проблеме равновесия, а открыто признать их условиями наибольшей продуктивности биогеографического компонента. Вполне законно характеризовать единый процесс интенсивностью этого или любого другого компонента, но не следует думать, что тем самым мы получаем в руки объективный критерий для оценки интенсивности всего комплекса.

Изложенные выше соображения неизбежно влекут за собой переоценку закона интенсивности поверхностного физико-географического процесса. Этот закон А. А. Григорьев формулировал несколько раз, последовательно добиваясь все более точного и сжатого изложения своих мыслей. В этом отношении удалось достигнуть многого, но все же и в последней редакции (Григорьев, 1946а, с. 165-166) формулировка закона занимает половину страницы и требует для его понимания значительного напряжения.

Я сделал попытку выделить основную сущность, ’’костяк” закона, выбрав из него основные понятия и опустив второстепенные части предложений, а также вводные и придаточные предложения. Получилось следующее: интенсивность физико-географического процесса ограничена количеством тепловой энергии и варьирует: 1) в соответствии со степенью приближения количества атмосферных осадков к оптимальному и 2) в зависимости от процесса предыдущей сезонной стадии.

В такой сокращенной редакции основная мысль выступает со всей отчетливостью, однако полностью согласиться с ней нельзя. В законе имеются два иррациональных термина: ’’интенсивность физико-географического процесса” (подразумевается - комплексного) и ’’оптимальное (подразумевается — для всех компонентов) количество атмосферных осадков”. Как выше было показано, эти понятия лишены физического содержания и не отражают каких-либо реально существующих в природе величин или явлений.

Что касается п. 2, то в нем заложена вполне правильная мысль, но, как мне кажется, она может быть точнее сформулирована следующим образом: интенсивность варьирует в зависимости от годового хода поступления тепловой энергии и атмосферных осадков.

Если теперь поставить перед собой цель привести закон интенсивности в соответствие с реально существующими отношениями, то для этого открываются два пути.

Первый путь заключается в сохранении универсальности закона в отношении всех физико-географических процессов путем замены единого процесса его составляющими, а ’’приближение к оптимальному количеству осадков” — просто количеством осадков. Кроме того, необходимо восстановить упущенную роль потенциальной энергии, учитывающую влияние рельефа и также определяющую ’’потолок” максимальной интенсивности процессов. Тогда получаем следующее.

Интенсивность физико-географических процессов ограничена:
1) запасом потенциальной энергии участвующих в процессах масс,
2) количеством и годовым ходом поступления тепловой энергии. Она варьирует в зависимости от количества и годового хода атмосферных осадков.

Лишь в такой формулировке закон интенсивности получает значение, адекватное действительности при строгом (обязательном для всех наук) соблюдении непреложных истин физики и математики.

Второй путь заключается в сохранении ссылки на оптимальные осадки, но с ограничением применимости закона сферой органической материи. О потенциальной энергии, лишь косвенно влияющей на биогеографические процессы, здесь можно не говорить. В этом случае имеем такую формулировку: продуктивность биогеографического процесса ограничена количеством поступающей тепловой энергии и варьирует:

1) в соответствии со степенью приближения количества атмосферных осадков к оптимальному;
2) в зависимости от годового хода балансов тепла и влаги.

В этой формулировке термин ’’интенсивность” заменен ’’продуктивностью”, так как именно продуктивностью и измеряется интенсивность биогеографического процесса. Понятно, что этот закон может именоваться лишь "законом продуктивности биогеографического процесса", что, конечно, отнюдь не умаляет его теоретического и практического значения.

Стремление найти некую единую физическую величину, характеризующую ход и развитие всех многочисленных и разнообразных процессов, совершенно естественно. Нахождение такой величины имело бы важное философское значение как способствующее утверждению единства закономерностей, лежащих в основе эволюции физико-географической среды. Такая величина позволила бы количественно измерять и сравнивать как отдельные частные процессы, так и различные типы комплексного единого процесса.

Из того факта, что интенсивность оказалась неспособной играть роль такой объединяющей всеобщей меры, отнюдь не следует, что попытки найти последнюю должны быть оставлены. В работах А. А. Григорьева намечается путь к правильному решению вопроса. Он пишет: "Громадное значение первой основной категории взаимоотношений (между радиационными условиями и циркуляцией атмосферы. — ДА.) определяется тем, что интенсивность любого интересующего нас процесса прежде всего зависит от размеров его энергетической базы” (Григорьев, 1946а, с. 150).

Радиация, как уже отмечалось, является не единственной энергетической базой физико-географического процесса. Но если учесть, что все виды энергии, поступающей в любой форме из любых источников, так же как и все виды, которые она принимает в своих последовательных трансформациях, могут быть сведены и суммированы с помощью точно известных эквивалентов, то становится ясным, что указанное замечание А. А. Григорьева имеет первостепенное значение и приходится только пожалеть, что дальнейшие усилия его были направлены по бесплодному пути поисков объединенной интенсивности.

Именно энергия, единая во всех видах, является той обобщающей величиной, той универсальной мерой, которую мы ищем.

В настоящее время имеются лишь технические, но не принципиальные трудности к подсчету энергии, поглощаемой (или освобождаемой) при любых природных процессах. И если нельзя сравнить, например, интенсивность прироста древесины с интенсивностью эоловой аккумуляции, то вполне возможно, измерив количества энергии, затраченные на оба процесса (в первом случае — химической, во втором — кинетической), перевести и те и другие в единые меры энергии - эрги, джоули, килограмм-метры или, удобнее всего, в калории — и сказать совершенно точно, на какой из процессов израсходовано больше энергии и насколько.

И нет ничего невозможного в том, чтобы подсчитать энергию, потребляемую комплексным физико-географическим процессом определенного района, насколько бы ни были различны его компоненты. При этом, конечно, нельзя ограничиваться получением общей суммы (так как одна и та же сумма может быть образована процессами самого различного типа), но следует всегда стремиться к составлению энергетического баланса.

Можно с уверенностью предсказать, что именно энергетическому балансу предстоит стать венцом и наиболее важным орудием анализа физико-географического процесса на ближайшем этапе развития нашей науки.

Составление энергетических балансов возможно лишь путем постановки многолетних стационарных наблюдений, оснащенных разнообразными техническими средствами, с широким применением экспериментов в природе и лаборатории и при строгом соблюдении правил физико-географического балансирования.

Метод энергетических балансов обещает пролить яркий свет на сущность физико-географического процесса и раскрыть многие скрытые стороны жизни природы. Мало того, он позволяет судить и о темпах протекания процессов.

В самом деле, энергетический баланс может составляться лишь за какой- то определенный промежуток времени, одинаковый для всех приходных и расходных статей баланса. К этому же промежутку времени относится и полученное сальдо. Если все найденные количества энергии разделить на длительность этого промежутка, выраженную в единицах времени, то получится баланс мощностей, так как мощность, как известно, равна энергии, получаемой (или затрачиваемой) в единицу времени.

Характеристики процессов в единицах мощности (эрг/с, гектоватт, киловатт, кал/мин, кг-кал/сут. и т.п.) дадут ясные представления о темпах оборота энергии. Понятие мощности, обладая, подобно понятию энергии, единством для всех процессов, в то же время косвенно позволяет судить об их интенсивности. Тем не менее понятие мощности отнюдь не тождественно с понятием интенсивности. Поясню это примерами.

1. Удельная теплоемкость воды равна 1, воздуха - 0,24. Поэтому если мы будем наблюдать за нагреванием равных объемов их потоками энергии одинаковой силы, то температура воздуха будет повышаться примерно в 4 раза быстрее, чем температура воды. Между тем расход энергии в обоих случаях будет одинаков. Это значит, что оба процесса обладают равной мощностью, в то время как интенсивность нагревания воздуха в 4 раза больше, чем воды.

2. Горная река переносит в минуту некоторое количество известняковой гальки (удельный вес - 2,0), другая река за тот же срок переносит на то же расстояние точно такое же количество гранитной гальки (удельный вес - 2,5). Интенсивность обоих процессов-одинакова, в то время как мощность второго на 25% больше.

Понятие интенсивности характеризует изменения физико-географической среды, непосредственно воспринимаемые нашими чувствами, но оно не годится для сравнения разнородных процессов. Понятие мощности характеризует расход энергии на процессы с учетом энергоемкости последних. Оно позволяет сравнивать между собой любые процессы, но не всегда дает наглядную картину происшедших изменений. Исследователю, в зависимости от поставленных перед ним целей, предоставляется возможность пользоваться тем или другим методом.

Закон интенсивности в той форме, в которой он приведен выше, отличается весьма общим характером и при всем своем теоретическом значении мало может дать для практического изучения физико-географической среды. Вложить в него более конкретное содержание мы не можем, пока наши сведения о закономерностях, управляющих частными процессами, остаются скудными и отрывочными.

Если описательная, страноведческая география в наше время накопила огромный фактический материал, география физико-географических процессов еще только начинает его собирать. Задача современных географов, мне думается, как раз и должна состоять в обогащении науки сведениями о таких частных процессах, как воздействие осадков на рельеф, рельефа — на растительность и т.д. По мере накопления материала будут вскрываться все более общие закономерности, а ранее вскрытые — становиться более конкретными.

Познание каждого частного процесса должно заключаться в освещении следующих его сторон:
1) физической сущности его влияния на ландшафт;
2) причинных связей, им управляющих;
3) его годового и векового хода;
4) его распределения и изменения в пространстве;
5) его количественных соотношений, т.е. балансов всех видов материи и энергии, в нем участвующих.

По мере изучения составляющих процессов будет становиться все более ясной и картина их взаимодействия, что со временем даст возможность углубить и конкретизировать универсальные законы, управляющие физико-географическим процессом.