Формы в мире почв - Игорь Николаевич Степанов

почвенно-геологических системах.

Создание абстрактных почвенно-геологических структур начинается с того, что в фигуре находят фиксированные, неподвижные элементы: точку, линию (ось), плоскость. Относительно этих неподвижных элементов можно «двигать» фигуру или ее части. Если при этом расстояние между любой парой точек останется неизменным, то фигура в результате такого движения совместится сама с собой, преобразуется в себя. То есть если фигура инварпантна к этому преобразованию, то она является симметричной, а само преобразование — симметричным преобразованием.

При этом мы будем «двигать» фигуру не как придется, а по правилам теории симметрии, или теории групп. Существует конечное число движений, которые позволяют выявить и конечное число законов структурообразования почвенно-геологических тел, разработать теорию узоров земной поверхности. Теория почвенно-геологических структур, основанная на симметрийных и иных абстрактных движениях, ведет науку о Земле в лоно математики.

Говоря о симметрии почвенно-геологических тел, мы предполагаем и их диссимметрию. Здесь речь идет лишь о последовательности изучения реальных структур: сначала выявляются симметричные, а затем диссимметричные системы. Наибольший интерес представит диссимметрия, которая творит явления. Она — предвестник качественных скачков, динамических изменений в свойствах почвенно-геологических тел.

Является ли применение принципа движений в науке о Земле чем-то новым? Нет. Об этом очень много пишут геологи. Но им трудно найти исходный элемент, «кирпичик», который они могли бы «двигать». Почвоведам, работающим только с видимыми формами земной поверхности, это сделать легче[6].

Так, В. П. Семенов-Тяншанский (1928) придавал большое значение роли движений в классификации географических объектов. Движение он характеризовал как перемену места географическими явлениями. По его мнению, движения вызывают размещение природных тел в пространстве, как бы мебелируя его. Например, расставляя стулья вокруг то квадратного, то прямоугольного, то круглого стола, мы получим разные структуры. Расположение тел, постоянно повторяющихся в известном порядке и как бы не могущих существовать одно без другого, Семенов-Тяншанский назвал характерными группировками, сочетаниями, сообществами.

Попробуем доказать соответствие между реальными и абстрактными движениями почвенного покрова. Примем за основание пространства прямую линию — одну из характерных форм границ между ареалами. Прямая линия образуется за счет поступательного увеличения (приращения) своей длины. Другим основанием пространства будет окружность — одна из характерных форм ареалов, которая возникает за счет поднятий и опусканий земной коры и вращательных сдвигов.

Прямая и окружность на почвенных картах четко выражены в виде почв водоразделов, речных долин. Заметим, что непрерывное вращение в сочетании с непрерывным растяжением радиуса (его приращением) образует спираль. Спираль — инвариантная, устойчиво сохраняющаяся структура земной коры и почвенного покрова. Спиральные структуры имеют большой запас энергии, и они моложе кольцевых структур, исчерпавших флюктуационный заряд энергии. И хотя природа этих движений пока недостаточно ясна, попытаемся изложить следствия, вытекающие из анализа вращения и приращения.

Как известно, любое движение можно свести к вращению и приращению. Геометрическим образом вращения является окружность, а приращения — прямая линия. Можно показать, что в определенном смысле окружность и прямая линия взаимно обратны. Построим радиус-векторную диаграмму (рис. 3), например, с шагом в один румб (1р=11,25°, т. е. окружность, разделенная на 32 части). Вдоль каждого радиус-вектора откладываем величину синуса соответствующего угла. Вдоль ОА (рис. 3, а) отложим значение sin 11,25°, вдоль OB sin 22,5°=0,38 и так далее вплоть до вектора ОН, где откладывается значение sin 90°= 1; далее длины радиус-векторов повторяются в обратном порядке.

Теперь строим аналогичную радиус-векторную диаграмму, но вдоль радиус-векторов отложим значения 1/sin φ (рис. 3, 6), при этом получаем прямую линию. Видимо, можно считать, что формулы x=cos φ и у1 =sin φ описывают окружность единичного радиуса, а прямая линия обратна y1 и описывается формулой у2=1/sin φ.

На математическом языке этот путь к спирали можно охарактеризовать как движение от функции y1 = sin φ и y2= 1/sin φ к понятию комплексного числа.

Комплексное число объединяет вращение и приращение в единое целое. В прекрасной книге «Математика в современном мире» (1967) показаны операции с комплексным числом с помощью геометрии. На действительной оси, или оси X, каждая единица равна либо 1, либо —1. На мнимой оси, или оси У, каждая единица представляет собой либо i, т. е. √—1, либо — i, Таким образом, все точки плоскости могут быть представлены комплексными числами вида z=x+iy. Если прямую, проведенную через начало координат и любую точку на плоскость, повернуть на 90° против часовой стрелки, то исходное комплексное число умножится на i. Второй поворот (второе умножение на i) приведет к новому значению комплексного числа.

Рис. 3. Радиус-векторная диаграмма

Пусть имеется какой-то вектор у. Умножив его на мнимую единицу i = √-1, мы поворачиваем вектор на 90° против часовой стрелки. Значит, выражение iy; символизирует вращение. Приращение обозначим через х. Тогда спиральное вращение записывается в виде комплексного числа. Вектор у может вращаться несколько раз. Поэтому в более общем виде спираль запишем следующим образом: z1=x+iny,

Напомним о геометрических интерпретациях комплексного числа. Комплексное число определяется как пара чисел (х, у), задающая точку плоскости z1. В полярной системе координат такая точка задается в виде z1={r, φ}, где r — длина вектора, или модуль, а φ — угол его наклона, или аргумент. Аргумент и модуль — основные строительные блоки комплексного числа z=x+iy= =r(соs φ +i sin φ), изображаемого точкой с координатами х, у vi. углом φ радиус-вектора r этой точки с осью абсцисс.

Применение модуля (r — исходной меры длины, принимаемой для выражения кратных соотношений размеров почвенных форм) и аргумента (угла φ — независимой переменной величины, от которой зависят значения функции) придает почвенно-геологическим формам и их частям соизмеримость, облегчает их стандартизацию и унификацию.

Таким образом, любой первопричинный элемент z в почвенно-геологических структурах может быть задан парой чисел r — модулем и φ — аргументом, т. е. z = {r, φ}, и определен типом движения в почвенно-геологическом пространстве.

ЧТО ТАКОЕ ПРОФИЛЬ ПОЧВЫ

И КАКИЕ ОН ИМЕЕТ ФОРМЫ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПОЧВЕННОМ ПРОФИЛЕ

Определить понятие «почвенный профиль» непросто. Существует множество формулировок. Одни характеризуют его по глубине проникновения корней растений, другие — по уровню залегания грунтовых вод, третьи — по любой возможной совокупности литологических свойств, таких например, как гумусовый слой на глине, соли на песке, охристая толща на светлом