Тема 4. Системная методология (системология).

Системология – научное знание о системах и системной организации процессов и явлений природы, науки, техники, общественных формаций, функциональных образований и структур.

Как междисциплинарная научное знание, системология проникает в естественнонаучные и гуманитарные, теоретические и прикладные науки, обобщая различные данные о системах и выводя основные закономерности их возникновения, развития и преобразования. Свой вклад в развитие концептуального определения системологии внесла синергетика, изучающая самоорганизацию систем, путём установления эффектов организации и синергии при системогенезе. В англоязычном переводе существуют реликты поглощённые в отечественной науке "общая теория систем", "системный подход", "системный анализ" и др.

Системология трактует объекты как системы, содержащие структуру, и явления как системы с многоуровневой, сложной организацией взаимодействий и отношений, включая внутренние и внешние связи.

Системология формировалась путём последовательного осмысления понятий сложных, больших, самоорганизующихся, функциональных систем, синергизма явлений и др. Это породило множество частных и фрагментарных определений системы и науки о системах.

С помощью теории систем системология объединяет все те направления конкретных наук, которые занимаются системами и систематизацией, и обеспечивает для них методологический теоретический базис. Можно сказать, что системология является одним из объектов, продуктом и инструментом методологии.

В системологии формируется методология изучения, проектирования, управления и использования природной системности мира и его базовых категорий. Универсальность методологии в системологии применима для оптимизации методологии частных научно-практических направлений. Доминирование технических направлений системологии объясняется технологичностью цивилизации, но происходит из системологии природы.

Общая теория систем дает представление о системной картине мира, выявляет законы и закономерности организации систем, классифицируют их.

Общая теория систем оперирует категориями: целостность, многомерность, элемент, структура, развитие и т.д.

Общая теория систем предоставляет обширные возможности для моделирования.

Системный принцип наиважнейший среди методологических принципов.

Принципы системной методологии:

- изоморфизма;

- целостности объекта познания;

- элементарности (возможность выделения);

- структурности (связанность элементов);

- субординации (иерархии, уровней организации) (системы разных уровней и подсистемы), например: химический элемент – минерал – горная порода – геологическая формация – оболочка Земли;

- взаимосвязи и пересечения с другими системами;

- идеализации и абстрагирования – элементы как некие идеализированные объекты;

Характер системы зависит не только от формы (количество подсистем и элементов, или объективных свойств), но и от способа ее деления, т.е. содержания (взаимосвязи элементов).

Структура – отношение и связь элементов динамического множества по определенным свойствам. (+Композиция элементов)

Структура:

- внутренняя – отношения элементов внутри системы;

- внешняя – отношения с другими системами и их элементами.

Пример: минералогические объекты:

- внутренняя структура – кристаллическая решетка и химический состав;

- внешняя структура – морфологические параметры минералов.

Итог: Основные характеристики системного объекта:

1. Сложность (система не сумма элементов);
2. Целостность и автономность;
3. Упорядоченность структуры согласно правилам композиции строения объекта;
4. Эмерджентность – появление новых качеств, характерных только для системы в целом.

Формы проявления пространственно-временной эмерджентности геосистем.

Пространственная организация

Она может быть горизонтальной и вертикальной.

Горизонтальная организация на примере ландшафтов. Изучать ее начинают с рассмотрения морфологической структуры. Для этого рассматривают комплексы более низкого ранга, чем ландшафт: фации, подурочища, урочища, местность. Пространственная организация комплексов включает: сочетание фаций, подурочищ, типов урочищ и местностей, пропорции площадей, закономерности чередования, неравенство и группы комплексов, характер их границ и соседство, связи между комплексами низшего ранга. Выявляют характерные чертыгоризонтальной структуры, зависящие от сформировавших их условий: зональные, азональные, пойменные, террасовые, моренные и т.д. Устанавливают воздействие осадков на внутриландшафтные процессы: поверхностный, внутрипочвенный, грунтовый сток и связанное с ним перемещение вещества.

Представление об иерархии в горизонтальной структуре и горизонтальных связях между комплексами помогает раскрыть механизм формирования и возможности сохранения и управления организацией ландшафтов. Учитывая направления связей в моделях с односторонним или двусторонним перемещением вещества, можно объяснить и упорядочить комбинации горизонтальной территориальной организации ландшафтов, их границ и границ, выполняющих функции мембран или барьеров (частью или полностью). Горизонтальную систему внутренних связей природных комплексов в ландшафтоведении определяют как межсистемную, характеризующую взаимное расположение частей и способы их соединения.

Вертикальная организация ландшафтов. Она выражается в ярусном расположении компонентов в соответствии с плотностью слагающего их вещества. Контактное взаимопроникновение и взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы обеспечило формирование производного компонента – почв. Взаимосвязь между компонентами географической оболочки (литосферой, атмосферой, гидросферой, почвой и биотой) в пределах конкретных ландшафтов изучают уже давно. Различия же вертикальной организации в пределах выделенных морфологических структур ландшафта основательно еще не раскрыты. Пока ясно, что ландшафт – сложная интегральная система элементарных вертикальных структур, и анализ межкомпонентных связей, в конечном счете, нельзя сводить к простым элементарным составляющим, к редукции целого в геосистеме. Поэтому проблема изученности совокупности процессов, ведущих к образованию вертикальных взаимосвязей между компонентами ландшафта, отстает от изученности горизонтальной составляющей. В механизмах вертикальной организации ландшафтов большое значение имеют круговороты веществ и энергии, вертикальные потоки тепла и влаги, движение почвенных растворов, миграция органики и т.д.

Временная организация ландшафтов

Существование пространственных элементов ландшафта распространяется и на время (геохронология). Изменения в ландшафте происходят с некоторой устойчивой повторяемостью, ритмичностью и цикличностью. У человека создается впечатление постоянства объекта, хотя часть его состояний изменяется ежедневно и ежечасно (внутрисуточные изменения). Поэтому возникла проблема единства разновременных процессов. Ландшафт как сложное образование формируется за счет связей и процессов. Совокупность устойчиво повторяющихся процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии, связей и состояний называют функционированием.

При расчленении всех временных изменений, происходящих в ландшафте и с ландшафтом, выделяют три временные группы: краткопериодичные (функционирование), среднепериодичные (динамика), длиннопериодичные (эволюция). Разномасштабные процессы и явления: функционирование, динамика, эволюция, объединяются общим понятием «изменение».

Ландшафт – это пространственно-временная система с единством, согласованностью, связанностью всех изменений в пространстве и во времени.

Эмерджентность (англ. emergence – возникновение, появление нового) в теории систем – наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов; синоним – «системный эффект».

Механизмы самоорганизации – интерпретация в разных масштабах времени.

Синергетика – междисциплинарный научный подход, объясняющий возможность самоорганизации сложных систем и их эволюции. Важная часть современной методологии науки!

Авторы: Герман Хакен – немецкий физик, и Илья Пригожин – бельгийский физик и химик (русского происхождения), Нобелевский лауреат по химии.

Самоорганизация присуща всем материальным системам на всех уровнях, но чем сложнее система изначально – тем на более высшую ступень самоорганизации она может выступить.

Основа синергетики (необходимые условия для самоорганизации систем):

- открытость системы – ее существование и взаимодействие с другими системами!

- наличие структуры – чем сложнее, тем лучше идет усложнение.

- неравновесность состояния – необходимость изменений и воздействий!

- нелинейность движения системы (описывается нелинейными уравнениями, и предполагает возможность существования более одного устойчивого состояния системы, т.е. разные варианты развития системы).

В закрытых системах достигается равновесность состояния за счет увеличения энтропии согласно второму закону термодинамики и утрата структуры (термодинамическая смерть Вселенной!).

При флюктуации (внешнем или внутреннем воздействии) возникают так называемые диссипативные (неравновесные) структуры – элементы системы получают общий импульс и согласованность (пример: турбулентность). Это приводит к структурогенезу и самоорганизации (пример: социально-экономические образования, поляризация ландшафта, возникновение демэкономического и природного каркаса территории и т.д.).

Таким образом, синергетика отвергла притязания термодинамики на универсальность!

Как происходит развитие и самоорганизация во времени?

Изначальное состояние системы+флюктуация – точка бифуркации (выбор состояния) – достижения аттрактора.

Бифуркация – точка разветвления путей эволюции открытой нелинейной системы!

Нелинейность (все природные и географические системы нелинейны!) приводит к:

- множеству возможных состояний системы (более одного устойчивого!);

- невозможности точно предсказать развитие системы (в близкой перспективе более и менее да, в отдаленной нет – пример прогноз погоды).

- неравномерность структуры и распределения в ней энергии.

Примеры самоорганизации в географии: образование облаков, циклонов и тайфунов, превращение оврага в балку, развитие форм рельефа и т.д.

Пример самоорганизации на рельефе: пространственно-временные отношения в концепции самоорганизации рельефа.

Характер взаимодействий в географической оболочке Земли (как открытой нелинейной системы):

- содержательная часть – перенос вещества и энергии;

- формальная часть – пространственно-временные отношения и передача информации.

Пространство в естественных науках – как внешняя форма существования объектов! Т.е. вместилище объектов.

Время – длительность и последовательность событий и процессов, происходящих в системе.

И пространство, и время имеют прямое отношение к синергетике и самоорганизации рельефа.

Рельеф, с точки зрения синергетики – результат самоорганизации одной из поверхностей раздела на контактах тел разной плотности: первоначальные – воздух-литосфера и вода-литосфера, затем присоединились по мере усложнения и самоорганизации другие: растительный покров (фитогенный рельеф), человек (антропогенный и урбанизированный и т.д.) и др.

Пространство Рельефа различно на разных уровнях рассмотрения системы:

- планетарный рельеф находится в сферическом пространстве (как оболочка Земли);

- региональный рельеф – двумерное пространство – рассматривается сочетание (мозаика) форм, типов рельефа, геоморфологических районов, провинций и т.д. Именно здесь карта выступает как наиболее объективное отражение рельефа уровня – важно размещение элементов системы друг к другу в горизонтальной плоскости (топология или композиция);

- локальный рельеф – трехмерное декартово пространство (+ время) – важна высота! – появляется явление анизотропности (по действием гравитационных сил) – использование локальных системы координат (пример: удаленность от гребня водораздела и т.д.).

Понятие расстояние в географии является связующим между пространством и временем!

Закономерности ландшафтного уровня как системы:

- эргодичность – возможность выделения временных фаз развития;

- пространственная некоммутативность – анизотропность пространства – нельзя поменять в пространстве элементы ландшафта, т.к. это приведет к возникновению другой геоморфоструктуры (А+Б ≠ Б+А), либо вообще запрещена (пример: нельзя поменять местами верхнюю и среднюю части долины реки!).

- временная некоммутативность – невозможность обратить время в обратную сторону.

Таким образом,Рельеф может рассматриваться как некая информационная матрица развития в природе – задает и управляет потоками вещества и энергии, свойствами и распределением рыхлых горных пород, почвенно-растительного покрова и т.д. При этом и сам подвергается изменениям от других систем, например от растений.