Ветвящиеся природные системы интересуют многих. Числовые характеристики геосистем — долин рек разных порядков — изучались В. П. Философовым (1975) при установлении границ тектонических структур. Р. Е. Хортон (1948), Б. П. Панов (1948), Н. А. Ржаницын (1960) исследовали явление возрастания порядка долин при переходе от неразветвленных элементарных потоков к главному руслу реки. Ю. Б. Виноградов (1980) интересно и доступно для широкого круга читателей описал процесс зарождения селевых потоков — основных поставщиков грязе-каменного материала для ветвящихся почвенных систем.

Карта пластики рельефа В. Р. Волобуева была хорошим началом. Вслед за ней появились подобные карты и на другие территории. Их анализ привел к важному выводу: ветви располагаются по отношению к стержневой оси под определенным углом, зависящим от вещественного состава системы. Например, в пустынях при углах 7—15° образуются ветвящиеся системы легкого механического состава (супеси, легкие суглинки), незасоленные, хорошо дренируемые; при угле 45° — тяжелого механического состава (тяжелые суглинки, глины), засоленные, плохо дренируемые.

Видимо, свойства ветвящихся систем обусловлены физико-механическим и химическим составом наносов, из которых они образуются. Их особенности можно объяснить и спецификой природных сил. Каждая из них формирует почвенно-геологическую систему (речную, озерную, ледниковую, эоловую) со своей пространственно-временной геометрией, со своей индивидуальной симметрией. Так, вода, будучи величайшим стабилизатором на Земле, способна создавать только определенное, ограниченное число форм потоков по известным геометрическим законам. Поэтому почвоведы и геологи стараются выявить эти законы, чтобы затем использовать их при освоении природных ресурсов.

КАК ПРОЧИТАТЬ СТРУКТУРНЫЕ ЗАПИСИ НА ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ

ДВИЖЕНИЕ — ОСНОВА КЛАССИФИКАЦИИ

ПОЧВЕННЫХ СТРУКТУР

Движение — важный фактор симметрии любых почвенных систем. Использование принципов симметрии позволит почвоведам читать геометрическую структуру почвенных тел в следующей последовательности. Сначала определяется размерность их расположения на карте или снимке. Почвенные тела могут быть неподвижными, «прикрепленными» к одной точке (и тогда их называют нульмерными) или располагаться вдоль линии (одномерные), а также находиться в узлах параллелограмматической сетки (двумерные). Затем уточняется их более тонкая структура, т. е. характер взаимного расположения с помощью операций симметрии (движений): поворотов, перестановок, отражений и Других.

В явном или неявном виде движение как форма познания присутствует в любой научной теории. Мыслимые перестановки, повороты, отражения выявляют устойчивую повторяемость в пространстве и во времени тех или иных форм почвенных тел, т. е. инвариантность. Последняя всегда связана с каким-либо законом сохранения. Каждая почвенная система характеризуется конкретным, присущим только ей устойчиво сохраняющимся (инвариантным) повторением тел и соответствующим ему законом сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и других. Д. И. Менделеев отличал исследователя от простого исполнителя по способности мыслить категориями инвариантности. Он считал, что истинный ученый тот, для кого поиск постоянного среди переменного и вечного среди временного — основной принцип познания. Выявление постоянного и вечного в хаосе явлений на современном языке и есть установление инвариантов, симметрии и структуры, которые в общем виде выражаются простыми числовыми соотношениями, скрывающими в себе законы. Н. Ф. Овчинников писал, что «поиски структурных инвариантов, или, иначе, исследование структуры и симметрии природы, становятся в современной науке не менее вдохновенной задачей, чем поиски причинных явлений» (1960, с. 121).

Академик В. Б. Сочава полагал, что в науках о Земле концепции инвариант суждено выполнить «не меньшую роль, чем она уже сыграла в кристаллографии, и в особенности в учении о симметрии… Только путем выявления этих сохраняющихся элементов и их связей мы в состоянии построить классификацию геосистем, отображающую законы, действующие в природной среде…» (1978, с, 7). Путь к ней в начале XX в. указан Н. М. Сибирцевым (1951): «Топографические смены почв суть смены повторяющиеся… они могут быть сведены к определенным схемам» (с. 316) или: «…для каждой данной местности число почвенных комбинаций не безгранично, и они повторяются множество раз с замечательной правильностью и постоянством» (с. 404).

Еще в 1916 г. академик Л. С. Берг за критерий элементарности ландшафта принял закономерную периодическую повторяемость рельефа, почв, грунтовых вод, растительности. В 1920 г. академик Н. И. Вавилов открыл закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости организмов, в 1924 г. Д. Г. Виленский — закон аналогичных почв, в 1963 г. В. Р. Волобуев ввел понятие о почвенной общности — абстрактной системной единице, присущей каждой зоне.

В наши дни представление о повторяемости почв и ландшафтов получило наименование: аналогия — структура — симметрия — инвариантность. Так, В. М. Фридланд (1972) писал, что почвенные комбинации, ритмически, регулярно и симметрично повторяясь, образуют упорядоченную структуру почвенного покрова — устойчивый геометрический рисунок. По его мнению, понятие «структура почвенного покрова» близко к понятию «математическая структура»; и та и другая включает в себя элементы и закономерности их взаимосвязи. Однако вместо поисков симметричных почвенных структур многие почвоведы занимались описанием параметров ареалов (размеры, степень расчленения, пятнистости и т. п.).

Рис. 24. Классификация структур земной поверхности

А — цепи, или одномерная трансляция, В — узлы, двумерная плоская параллелограмматическая решетка. Слева — натурные зарисовки, справа — карты и геометрические индексы симметрии. Для сравнения:

В — аэрофотоснимок тундры (слева), его геометризация (справа),