Свойства геосистем. 
Теория и методология географической науки

Территориальные системы обладают огромным количеством свойств. Главными из них являются: а) целостность (наличие единой цели и функции); б) эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов); в) структурность (обусловленность поведения системы ее структурными особенностями); г) автономность (способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией); д) взаимосвязанность системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства только в процессе взаимодействия с внешней средой); е) иерархичность (соподчиненность элементов системы); ж) управляемость (наличие внешней или внутренней системы управления); з) устойчивость (стремление к сохранению своей структуры, внутренних и внешних связей); и) множественность описаний (в силу сложности систем и неограниченного количества свойств их познание требует построения множества моделей в зависимости от цели исследования); к) территориальность (размещение в пространстве — это главное свойство систем, рассматриваемое географией); л) динамичность (развитие систем во времени); сложность (качественные и количественные различия ее элементов и атрибутов).

Наиболее характерная черта геосистем — ее целостность, единство по отношению к внешней среде. Необходимой предпосылкой развития целостной системы является также неоднородность. Всякая реальная система состоит из разнородных, разнокачественных, нетождественных по каким-либо параметрам элементов, что обусловливает наличие распределенной неоднородности в системе. Условием сохранения и развития целостности является тесно связанная с. неоднородностью противоречивость систем. Противоречивыми сторонами и отношениями всякой системы выступают компонент и система, часть и целое, прерывное и непрерывное, структура и функция, внутреннее и внешнее, организация и дезорганизация, разнообразие и однообразие и др. Единство и взаимодействие противоположностей являются источником развития целостной системы.

Целостность геосистемы, с одной стороны, обусловливает необходимость рассмотрения компонентов (подсистем, элементов) ГС в их взаимосвязи и моделирование всей системы в целом, с другой — целостность предполагает структурную сложность, неоднородность, членимость системы и моделирование отдельных ее частей. В соответствии с этим содержание понятия целостности проявляется в следующих принципах.

• 1. Принцип интегративности качеств целостной системы.
• В отличие от суммативной системы, свойства которой представляют собой простую сумму свойств составляющих ее частей, целостная система обладает новыми качествами, не присущими отдельным ее компонентам. Это выражено в принципе эмерджентности, согласно которому каждая из геосистем обладает единственным в своем роде сочетанием элементов (подсистем) с их особыми и специфическими связями, поэтому целое представляет собой нечто большее, чем простую сумму частей. Причем чем выше организация геосистем, тем более уникальным и своеобразным является это сочетание. Свойство более сложных систем приобретать качество, не встречающееся у элементов или подсистем по отдельности и есть свойство эмерджентности. Эффект эмерджентности, выраженный в согласовании имманентных (внутренних) и эмерджентных (глобальных) интересов при хозяйственном освоении территории отдельных регионов страны, широко применяется при использовании теории компромиссных решений при альтернативном подходе к рациональному ее использованию.
• 2. Принцип комлонентности целостной системы. Целостные качества есть результат взаимодействующих между собой компонентов, составляющих систему. В качестве компонентов обычно выступают подсистема — часть системы, которая сама является системой, и элемент — предел делимости системы в рамках данного качества. Целое обусловлено наличием частей, части есть результат существования целого.
• 2.1. Принцип делимости на части. Целостность геосистем означает, что при их изучении подсистемы и элементы геосистем должны рассматриваться в их взаимосвязи. В тех случаях, когда ГС настолько сложна, что не поддается глобальному изучению как единое целое, в рамках моделирования необходимо разделять ее на различные по масштабу подсистемы по отраслевому или территориальному признаку. В этом случае в качестве составных частей ГС (блоков или подсистем) могут выступать как отдельные отрасли, так и территории, размер которых определяется масштабом исследований. Используемый в этом случае принцип делимости геосистемы на составные части допускает рассмотрение выделенных частей как относительно независимых образований.
• 2.2. Принцип зональности и азональности. Особым принципом изучения географических систем является учет зональности, т. е. установление и изучение зон влияния. Источник зональных геообразований в географическом пространстве в зависимости от интенсивности воздействия приводит к специфической дифференциации пространства по зональному принципу. Это может быть и широтная зональность, и вертикальная поясность в ландшафтной оболочке Земли, и зональность процессов, и зоны влияния каких-либо объектов на окружающую территорию или обстановку, и зоны отдыха вокруг крупных городов и т. д. Сфера влияния оконтуривается концентрическими зонами, выклинивающимися постепенно от центра влияния. Дифференциация, вызываемая азональными факторами, значительно усложняет общую картину дифференциации пространства, придавая ей черты мозаичности, дискретности.
• 3. Структурность и функционирование целостной системы. Части системы находятся в определенном отношении друг к другу. Особая упорядоченность этих отношений определяет структуру системы (структура — внутренняя организация целостной системы, представляющая собой специфический способ взаимосвязи, взаимодействия образующих его компонентов). Структура как универсальная черта всякой материальной системы характеризуется определенной пространственно-временной динамической устойчивостью. Упорядоченность в сосуществовании компонентов системы выражается в их координации, соподчиненность — в субординации. Структура и функционирование целостных систем положены в основу следующих принципов моделирования географических систем.
• 3.1. Принцип структурной неоднородности и однородности. Нетождественность частей целого обусловливает неоднородность компонентов геосистемы. Наличие структуры связано с дифференцированностью и неоднородностью частей целого. Представления об однородности структурных компонентов геосистемы, которыми часто пользуются исследователи, являются результатом идеализации неоднородных по некоторым параметрам реальных частей системы. Реальная однородность всегда конкретна, т. е. содержит в себе неоднородность. Учет реальных неоднородностей и умелое использование идеализированного представления об однородности приносит хорошие результаты в географических исследованиях.
• 3.2. Принцип иерархичности. Одна из основных особенностей географических систем их иерархичность — свойство делимости на относительно обособленные, но соподчиненные между собой подсистемы различного ранга. Иерархия ГС обладает, в свою очередь, рядом свойств: 1) вертикальной декомпозицией (т. е. вертикальные связи обусловливают многоуровневость подсистем геосистемы, и вышестоящие подсистемы включают нижестоящие); 2) приоритетом действий подсистем верхнего уровня; 3) зависимостью функционирования и развития подсистем нижних уровней.
• 3.3. Принцип организованности географических систем. Этот принцип тесно связан с принципом иерархичности. Структура определяется организованностью, упорядоченностью системы. Мерой упорядоченности служит высота уровня негэнтропии. Мерой дезорганизованности, беспорядка ГС является энтропия. Процесс развития геосистем, с одной стороны, ведет к увеличению неоднородности компонентов, усложнению иерархии, повышению организованности в системе, что соответствует уменьшению энтропии (увеличению негэнтропии). С другой стороны, естественный процесс неизбежно сопровождается выравниванием различных потенциалов между компонентами ГС, увеличением их однородности, понижением уровня организации, чему соответствует увеличение энтропии (понижение негэнтропии) геосистем. В замкнутых геосистемах, где отсутствуют исходные величины, процесс имеет одну направленность — в сторону возрастания энтропии.

При этом уменьшается количество энергии, участвующей в работе ГС, происходит выравнивание различий внутри системы и разрушение ее иерархической организации. Это противоречие приводит к тому, что в открытых геосистемах отрабатывается устойчивая структура, все более четко обособляющая себя в пространстве.

• 3.4. Принцип территориальности предполагает учет зависимости функционирования и развития геосистем от размещения ее элементов на территории (в пространстве). Функционирование и развитие геосистемы зависит от многих других определяющих факторов, однако территориальная (пространственная) принадлежность ГС обусловливается также зависимостью ее функционирования от размещения ее элементов.
• 3.5. Принцип пространственного сбалансирования компонентов. Все компоненты системы увязаны в единое целое потоками вещества и (или) энергии. Однако любая ГС отличается группировкой еехоставных частей. В каждой из группировок любой из компонентов системы может играть стимулирующую, нейтральную или негативную роль в процессе функционирования и развития. Поэтому важной задачей изучения ГС является анализ свойств систем, встречающихся в пространстве, и выявление адекватных им (свойствам) типов процессов. Анализировать необходимо сущность процессов, приводящих к подобному размещению свойств геосистем в пространстве, и на всех этапах исследования следует искать зависимости, возникающие в результате наложения среды и организации общественной жизни.
• 3.6. Принципы концентрации и комплексообразования. Принцип концентрации элементов в географическом пространстве является отражением закона агломерации, выражающим, в свою очередь, объективную тенденцию к скоплению элементов в ограниченном пространстве. Выделяются два аспекта действия этого закона: географический и экономический. Первый, географический аспект проявляется в формировании территориальных групп и сочетаний географических элементов в пространстве, а второй, экономический — в том, что совместимые, компактно расположенные объекты функционируют эффективнее рассеянных. Названный принцип служит основой для реализации принципа комплексообразования в географическом, пространстве.
• 3.7. Принцип кратчайших путей и наименьшего сопротивления. Любое поле, создаваемое интенсивностью проявления географического процесса либо «силовым» эффектом, при определенных ситуациях обусловливает появление потоков субстанции (энергии, вещества или информации). Наличие потоков в поле напряженности связано с разнохронностью изменения во времени компонентов и их комбинаций в этом поле. Медленно изменяемые образования являются полями, быстро изменяемые — потоками, причем поток «выбирает» кратчайший путь (линия наибольшего падения градиента) и движется в направлении наименьшего сопротивления.
• 4. Целостная система и внешняя среда. Целостность системы предполагает ее обособленность, отграниченность от внешней среды, следовательно, выделение границ системы имеет объективное основание. Однако определение этих границ — дело не всегда простое, так как система находится во взаимодействии с соседними системами, с окружающей средой. Обычно объекты, непосредственно участвующие в создании свойств данного целого, относят к самой системе, а участвующие в формировании интегративных свойств опосредственно — к окружающей среде. Необходимость адекватного поставленной задаче выделения границ ГС и учет ее взаимосвязи со средой следует рассматривать как принципы.
• 4.1. Принцип пространственного членения (выделение границ). Каким бы образом ни выделялась географическая система, на основании каких-либо связей или признаков, нет гарантий, что не найдется один или несколько признаков, по которым рассматриваемые элементы увязываются с другими множествами. Таким образом, выделенные образования пересекаются. Можно считать, что для каждой ГС существует граница. В то же время не существует или почти никогда не существует границы (в общепринятом понимании) между системами. Поэтому нет необходимости отрицать реальность как географических границ, так и переходных полос.
• 4.2. Принцип географичности предполагает учет зависимости функционирования и развития географической системы не только от размещения элементов и других определяющих факторов, но и от свойств природной среды. Сказанное подчеркивает необходимость учета комбинационных свойств природной среды и зависимости функционирования и развития ГС от особенностей этих комбинаций. Например, экономико-географическая система функционирует и развивается по общественным законам, однако имеет и особенности, обусловленные местными географическими различиями.
• 4.3. Принцип окружающего соседства. При учете сложности взаимодействия системы «природа — население — производство» можно показать, что комбинации природных условий и ресурсов, в зависимости от их состояния, внутренних и внешних свойств, неоднозначны и так же неоднозначно реагируют на одни и те же определенные антропогенные воздействия. Следовательно, в географическом пространстве существуют такие взаимосвязанные сочетания и расположения компонентов среды, которые стимулирующим образом влияют на функционирование и развитие ГС.
• 4.4. Позиционный принцип и давление места. Для многих объектов в географическом пространстве можно найти оптимальную точку (локальный территориальный оптимум), где они могли бы функционировать наиболее эффективно. Если геообъект не находится в точке своего территориального оптимума, то действует сила — давление места, или позиционное давление.
• 4.5. Принцип энтропии. По аналогии с законами термодинамики в физических системах уменьшение энтропии и увеличение упорядоченности ГС не может происходить без компенсирующего возрастания энтропии и увеличения беспорядка в соседних системах. Экологический кризис, загрязнение окружающей среды отходами производства, парниковый эффект в атмосфере Земли и т. п. имеют не только субъективные, но и объективные причины в законе возрастания энтропии, в естественном превращении различных видов энергии в тепловую. Необходимым условием развития ГС по восходящей линии является ее открытость, обмен с внешней средой материей и энергией. В замкнутой ГС отсутствует негэнтропийная компенсация, что неизбежно со временем приводит к возрастанию энтропии и развитию этой системы по нисходящей линии.
• 5. Историзм целостной системы. Система существует как целое не только в пространстве, но и во времени. С временным аспектом связана эволюция системы: ее становление и развитие, ее история. Сочетание системно-исторического подхода с системно-структурным позволяет изучать и статику, и динамику системы. В историзме системы проявляются такие общие черты диалектики, как преемственность и развитие, единство, скачкообразность, противоречивость, переходы количества в качество. Наличие временного параметра целостной системы обусловливает выделение следующих принципов при моделировании ГС.
• 5.1. Принцип количественного и качественного сдвигов в процессе функционирования географических систем. Процесс функционирования геосистем обусловливает изменение состояний как отдельных ее элементов и подсистем, так и всей ГС в целом. В этом процессе происходят постепенное изменение ее структуры и режима функционирования, способствующее усложнении (или упрощению) ГС. Накопление этих изменений приводит к количественным и качественным сдвигам в ее структуре и режиме функционирования, что в конечном счете приводит к переходу ГС в новое состояние. Процесс этот непрерывен.
• 5.2. Принцип гетерохронности (временной неоднородности). Географические системы функционируют как синхронное, но чаще всего как диахронное целое, элементы которого связаны «через время». Каждый элемент характеризуется своим временем релаксации, в результате чего формируются хорошо, плохо и частично приспособленные к окружающим условиям ГС. Наиболее серьезный методологический конфликт проявляется при изучении геосистем, обладающих различными и тем более неизвестными временами релаксации.

Таким образом, каждая ГС имеет характерное время развития. Природные ритмы в развитии каждого компонента различны, как и скорости ответных реакций. В этой связи географические системы реагируют неоднозначно даже на синхронные и гармонические воздействия. Отсюда сдвиг фаз во времени и пространстве, т. е. гетерохронность.

• 5.3. Принцип запаздывания. В связи с гетерохронностью функционирования элементов ГС сдвиг фаз во времени и пространстве каждого из них неоднозначен; неоднозначна и реакция взаимодействия, обусловливающая скорость ответных реакций (обратная связь, обусловленная наложением различных времен релаксации элементов геосистемы). По этой причине в зависимости от сложности иерархической структуры ГС харакФеризуется определенной инерционностью, т. е. реагирует на изменение входных параметров с различным по времени запаздыванием.
• 5.4. Принцип ритмичности. Гетерохронный характер функционирования геообразований, запаздывание процессов из-за их неоднозначной реакции на внешние воздействия предполагают некие наложения интенсивностей проявления различных процессов. В связи с особым характером этих наложений результирующий эффект носит поочередно положительный или отрицательный знак, чередование во времени которых задает особый режим функционирования, связанный с ритмичностью явлений. Подобный режим функционирования определяет цикличность развития ГС.
• 5.5. Принцип затухания процессов. При воздействии ряда процессов на природные системы начинают играть роль факторы, препятствующие дальнейшему воздействию этих процессов. Срабатывает «механизм стабилизации», который действует таким образом, что они (природные системы) адаптируются к внешнему воздействию так, чтобы уменьшить это воздействие. Этот принцип для природных систем можно назвать принципом приспособления (адаптации) их к окружающей обстановке.
• 5.6. Принцип единства в историческом аспекте (принципы униформизма и актуализма; принцип историзма) устанавливает определенное сходство процессов и явлений ГС изучаемого периода с предшествующими. Ни одно из явлений, протекающих в настоящее время, не может быть понято без учета прошлого. Принцип подчеркивает необходимость изучения процессов и явлений, протекающих в ГС, в их развитии. Кроме того, этот принцип учитывает, что каждая из геосистем обладает некоторой структурной памятью, т. е. для перехода из одного состояния в другое требуется некоторое время, которое определяется временем наиболее длительного прохождения импульса.
• 6. Особое место среди качеств целостной системы занимает управление и связанное с ним прогнозирование. Процесс управления совпадает с упорядоченностью системы и, следовательно, является процессом негэнтропийным. Управление непосредственно связано с передачей, хранением и обработкой информации о внутренних и внешних состояниях системы. Познание законов функционирования управляемых систем открывает возможности более точного прогноза их будущих состояний. Прогнозирование тесно связано с анализом прошлого системы, с ее временной рефлексией. На основе указанного качества системы формулируется еще один принцип. Этот принцип, являясь по своей сути интегративным, как бы замыкает «кольцо» системы рассмотренных нами принципов, лежащих в основе моделирования географических систем.

Одним из свойств геосистем, как территориальных комплексов, является их иерархичность — свойство делимости на относительно обособленные, соподчиненные между собой подсистемы различного ранга. Основными условиями иерархии структур территориальных систем являются:

• • наличие в системе либо управляющей, либо подчиненной подсистемы, либо и той и другой одновременно;
• • существование, по крайней мере, только одной подчиненной подсистемы или только одной управляющей подсистемы;
• • любая подчиненная подсистема непосредственно взаимодействует только с одной управляющей.

Под автономностью территориальных систем понимается стремление к большей внутренней упорядоченности, компенсации недостающих элементов и функций. Способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности является важнейшей характеристикой геосистем, экосистем и биосферы в целом. Высокая внутренняя упорядоченность компонентов достигается при низком уровне энтропии, т. е. количестве связанной энергии, которая недоступна для использования. В отличие от технических систем развитие биологических и территориальных систем сопровождается выравниванием различных потенциалов между компонентами геосистем, что приводит к увеличению их однородности и, соответственно, к повышению энтропии. Это должно привести к нарушению равновесия и разрушению структуры геосистем, однако, как было показано работами Нобелевского лауреата И. Пригожина, способность к самоорганизации и созданию новых структур может встречаться и в неравновесных системах, обладающих высокоразвитыми «диссипативными структурами», которые устраняют неупорядоченность.

Территориальность предполагает учет зависимости функционирования и развития геосистем от размещения ее элементов на территории. Для социально-экономических систем большое значение имеет размещение ее компонентов в пространстве по отношению к центрам переработки и потребления продукции, по отношению к транспортным путям, трудовым ресурсам, энергетическим базам. Эти территориальные факторы во многом определяют эффективность производства, устойчивость функционирования геосистем.

Динамичность — это свойство геосистем, характеризующее временной аспект их развития, изменения и движения. Элементы геосистем связаны между собой не только пространственно, но и через время. Каждый элемент геосистемы имеет различное время релаксации (самовосстановления до исходного состояния), которое, как правило, дольше у природных комплексов. В результате этого для устранения негативных последствий управляющих воздействий на природные геосистемы требуется значительный временной отрезок. Изменение их динамики выражается в изменениях как во времени, так и в пространстве. Внешние количественные изменения геосистем во времени проявляются в росте объекта исследования по вертикали и по горизонтали.

Функциональность. Под функцией территориальных систем понимается вклад, действие различных элементов, направленное на сохранение данной системы, и определяющее ее место и значение по отношению к другим элементам и к системе в целом. Структурные и функциональные характеристики геосистем тесно взаимосвязаны, поскольку элементы и подсистемы рассматриваются не только с точки зрения их индивидуальных свойств, но и функций в рамках исследуемого целого. В этой связи важной задачей является выявление эффективности структуры системы, т. е. того, насколько она способствует успешному выполнению ее целевой функции. Под целевой функцией понимается та, которая обеспечивает постоянство (инвариантность) некоторого состояния на выходе системы. Целевая функция системы не всегда соответствует имманентным интересам отдельных элементов и подсистем. Это может приводить к срыву в функционировании элементов и системы в целом и нарушению сложившейся структуры системы, что влияет на эффективность выполнения целевой функции.

Понятие «управляющей системы» является одним из основных положений кибернетики. Способность управлять своим собственным состоянием или состоянием другой системы — обязательное свойство любой системы. Под управлением понимается функция системы, ориентированная на сохранение ее основного качества (т. е. совокупности свойств, утеря которых ведет к разрушению системы) в условиях изменения среды либо на выполнение некоторой программы, долженствующей обеспечить устойчивость функционирования, гомеостаз, достижение определенной цели.

Важнейшей характеристикой геосистем является устой— чивость. Существуют разнообразные подходы к определению устойчивости геосистем. Понятие устойчивости проникло в географию из технических наук и впервые использовано применительно к территориальным системам в начале 70-х годов в работах В. С. Преображенского (1972), Ю. А. Веденина (1973), К. Д. Дьяконова (1974), А. Д. Арманда (1974), Ю. Г. Пузаченко.

(1976) и др. Существует более десятка определений устойчивости систем. А. А. Крауклис (1979) приводит следующие составляющие понятия устойчивости: постоянство (константность), инерционность (устойчивость к возмущениям), эластичность (скорость восстановления после нарушения), амплитуда (интервалы возмущения, в пределах которых возможно восстановление), траектория (устойчивость общей тенденции изменения) и устойчивость циклов. В целом все разнообразные подходы к определению устойчивости можно свести к трем основным — устойчивость как способность: 1) сохранять свои свойства в течение определенного времени при внешних воздействиях; 2) поддерживать внутренние связи при переходе из одного состояния в другое; 3) самовосстанавливаться после прекращения воздействия.

Устойчивость зависит от уровня антропогенного воздействия и способности к самоочищению различных типов геосистем. В результате этого один и тот же вид сельскохозяйственной деятельности в разных природных ландшафтах приводит к разным экологическим и экономическим последствиям. Под самоочищением подразумеваются процессы трансформации и выноса за пределы системы продуктов техногенеза. Таким образом, понятие устойчивости связано с оценкой воздействия хозяйственной деятельности на геосистемы, которая заключается в выявлении его уровня (интенсивность, масштаб) и специфики, в том числе вида (биологическое, химическое, физическое) и характера (баланс вещества и энергии) воздействия. Сущность формирования механизмов устойчивости до сих пор является дискуссионной. Ряд авторов считают, что она обусловлена относительно стабильными компонентами системы (литолого-геоморфологическими, климатическими условиями); другие, напротив, связывают устойчивость с более лабильными элементами — биотическим разнообразием геосистем.