7 балансовые уравнения геосистем энергетический баланс

РОЛЬ БИОТЫ В ГЕОСИСТЕМАХ

ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ

Аксиоматические положения геоэкологии.Современный уровень географических и экологических знаний позволяет принять ряд аксиом и положений в качестве базиса, на котором можно продолжить разработку теории геоэкологии. Аксиомы геоэкологии вытекают из общегеографических.

Построение методологической основы геоэкологии базируется на проверенных всеми науками законах диалектического материализма (о реальности мира, его единстве, всеобщей связи явлений, о его движении и изменении) и на нескольких основных предгеографических аксиомах, представляющих собою доказанные общенаучные обобщения, которые в геоэкологии могут приниматься без доказательств. Такими аксиомами выступают системная, иерархическая, временная, планетарная и землеведческая.

Системная аксиома. Мир, в котором мы живем, системен, т. е. характеризуется взаимосвязанными образованиями, в которых разнородные элементы, связанные отношениями, образуют нечто целое, единое, отличаемое от их среды и связанное с нею.

Иерархическая аксиома. Как среда любой земной системы, так и ее элементы при ближайшем рассмотрении сами выступают как системы. Любая система состоит из систем низшего ранга и входит в системы высшего ранга. Таким образом, мир, в котором мы живем, обладает иерархическим устройством. Следствием этого является наличие в системах низшего ранга общих, изоморфных, свойств, отражающих свойства системы более высокого ранга.

Временная аксиома. Все, что мы наблюдаем в современном исследовании, есть следствие развития того фрагмента материального мира, который мы изучаем. В то же время это лишь момент в общем ходе прошлого и будущего развития.

Планетарная аксиома. Планеты Солнечной системы обладают наличием внешних планетных оболочек, которые как системы характеризуются взаимодействием вещества нескольких планетных сфер. Системы эти открытые, связанные с экзогенными и эндогенными источниками энергии. Для них характерны черты пространственной горизонтальной дифференциации, обусловленной циркуляцией атмосферы, неравномерностью современных или былых тектонических процессов и распределения солнечного тепла, а также историей существования.

Землеведческая аксиома. Географическая оболочка Земли характеризуется, кроме всех вышеперечисленных свойств любой планетной оболочки, наличием обусловленных эволюцией Земли живых организмов, деятельность которых определила многие черты состава земных оболочек; а также человечества, появление которого вызвало изменение биоты, частичное изменение газового состава атмосферы, свойств гидросферы и литосферы. Пространственная дифференциация на Земле связана с неравномерным распределением солнечной энергии, обусловленным сферической формой Земли, различием теплоемкости океанов и суши, макрорельефом, сформировавшимся в ходе эволюции Земли, неравномерностью растительного покрова, деятельностью человечества.

Эти пять аксиом, из которых первые три являются общенаучными, а две последних космо- и геогенетическими, рисуют картину мира, в котором существуют геосистемы и черты которого они отражают.

Геосистемная концепция.Учение о системах является одним из выражений фундаментального принципа диалектического материализма о всеобщей взаимосвязи и взаимодействии предметов и явлений природы. Возникновение и становление системного подхода в современном естествознании связано с объективной потребностью в упорядочении и осмыслении множества новых фактических данных о природных объектах, изучении их внутренних и внешних связей с целью синтеза естественнонаучных представлений об окружающей среде, о конструировании целостной картины живой природы и прогнозирования ее развития.

В общем смысле под системой понимают любое целенаправленное множество упорядоченных взаимосвязанных элементов, объединенных в единое целое, способное выполнять заданную функцию. Система основывается на связи между объединенными элементами. Элемент, не имеющий хотя бы одной связи с другими, не входит в рассматриваемую систему. Система обладает рядом особых признаков, отличающих ее от простого множества. Это принципы целостности, структурности, взаимосвязанности системы и среды, иерархичности, множественности описания системы и др.

Одним из основных методов исследования геосистем является системный анализ. Под последним понимают систематизированное изучение сложного объекта, проводимое для выяснения возможностей улучшения функционирования этого объекта. Системный анализ опирается на математический аппарат. Но его нельзя отождествлять с формальным математическим методом, пригодным лишь для описания или решения какой-либо проблемы. Системный анализ – это стратегия научного поиска, логическая нормативная методология, ее понятийный аппарат, идеи, подходы и установки.

Методология системного анализа получила широкое распространение в различных отраслях науки, в том числе в геоэкологии. Она позволяет эффективно решать сложные, мало изученные проблемы, открывает перед ней новые возможности развития теоретических представлений и их прикладного использования.

В 1963 г. В. Б. Сочава предложил называть объекты, изучаемые физической географией, геосистемами. По его мнению, геосистема – это особый класс управляющих систем, земное пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в системной связи друг с другом и как определенная целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом.

До сих пор существуют различия в определении понятия «геосистема», во взглядах на его объем и содержание. Одни ученые под понятием «геосистема» понимают природное образование. Другие считают, что это понятие можно применять для обозначения любых территориальных комплексов, сформировавшихся на поверхности Земли. Такое широкое толкование геосистемы не является недостатком – оно свидетельствует о стремлении географов разных специальностей использовать системный подход в своей работе. Поэтому применение понятия геосистемы для обозначения самого широкого круга территориальных объектов, по мнению автора, правильно. В слове «геосистема» первая часть указывает на территориальность как важное свойство системы. Это необходимо подчеркнуть потому, что многие системы не являются территориальными (например, организмы животных, человека, сложные технические устройства, языковые системы и др.). Таким образом, геосистемы выявляются на определенной территории. Значит, на их специфику будут влиять площадь, конфигурация и другие территориальные особенности.

Все понятия, характеризующие геосистемы, разделяются на две группы. К первой группе относятся понятия, характеризующие их внутреннее строение: «элемент», «компонент», «связь», «отношение», «среда», «целостность», «структура», «организация» и др. Ко второй – относящиеся к функционированию: «функция», «устойчивость», «равновесие», «регулирование», «обратная связь», «управление» и др.). Кроме того, геосистемы характеризуются с точки зрения формирующих их процессов: «генезис», «эволюция», «становление» и др.

При всем многообразии трактовок понятия «геосистема» их объединяет главное – признание геосистем, системами реально существующими на земной поверхности, подчиняющимися принципам всеобщей связи, взаимообусловленности и развития. Свойства геосистем определяются их иерархическим уровнем, теснотой связи слагающих их компонентов и происходящими в них эволюционными и динамическими процессами. Геосистемы, являясь открытыми системами, обладают пространственно-временной организацией, обусловленной взаимосвязанностью, качественными отличиями состояния и различиями связей со средой образующих их компонентов.

Под компонентами геосистемпонимают крупные постоянные составные части их вертикального строения или входящие в них фрагменты отдельных сфер географической оболочки: литосферы, гидросферы и биосферы. Взаимодействие и развитие геосфер усложняет свойства геосистем. В связи с этим при их анализе возникает необходимость расчленения компонентов на элементы. Элементы геосистем– простейшие частицы компонентов, из комбинации которых складывается многообразие объектов реального мира. Элементы, как правило, характеризуют отдельные свойства или состояния компонентов. Однако геосистема – это не просто хаотическая совокупность элементов, а сложное материальное образование, пространственно-временная система, обладающая определенной структурой и развивающаяся как единое целое.

Связи в геосистемах играют огромную роль, так как именно они определяют целостность геосистемы, ее устойчивость. Существуют различные классификации этих связей по интенсивности, направленности и т. д. В геосистемах прежде всего различают вертикальные (межкомпонентные) и горизонтальные (межгеосистемные) связи. Они тесно взаимодействуют между собой и переходят друг в друга. Они могут быть односторонними, двусторонними, прямыми, обратными, положительными, отрицательными и т. д.

Процесс взаимосвязей в геосистемах не является простой передачей вещества, энергии и информации между компонентами или геосистемами. Под влиянием внешних факторов или саморазвития вещественно-энергетические и информационные потоки постоянно трансформируются и геосистемы приобретают или утрачивают прежние свойства, то есть изменяются. Процесс изменения геосистем осуществляется в ходе их функционирования, динамики и эволюции.

Под функционированием геосистемпонимается совокупность всех процессов перемещения, обмена и трансформации вещества, энергии и информации, обеспечивающая сохранение длительного, устойчивого их состояния, имеющего ритмичный характер, но не сопровождающегося переходом из одного серийного состояния в другое. Динамика геосистем – изменения, не сопровождающиеся сменой их инварианта. Эволюция геосистем – это необратимое поступательное изменение геосистем, обусловленное воздействием внешних и внутренних факторов, приводящее к смене их инварианта.

С функционированием и динамикой геосистем тесно связан ряд их свойств, таких как устойчивость – способность сохранять инвариантные свойства и характер функционирования при внешних воздействиях, саморегулирование – способность поддерживать на определенном уровне типичные состояния, режимы и связи между компонентами; гетерохронность – сосуществование в геосистеме элементов различного возраста; унаследованность– сосуществование элементов, которые включены в систему энергомассообмена геосистем, но возникли и оптимально функционировали при иных условиях; инерционность –способность некоторых элементов прошлой геосистемы существовать в условиях современного режима; транзитивность–способность элементов геосистемы при различных гидротермических условиях переходить из зонального состояния в провинциальное; лабильность – способность отдельных элементов геосистемы изменяться с различной скоростью.

Сопоставление понятий «система», «геосистема», «природно-территориальный комплекс» (ПТК), «ландшафт» позволяет сделать вывод об общности их основных свойств как сложных динамических систем и определить их некоторые отличительные особенности.

Понятие «геосистема» более широкое, чем ПТК или «ландшафт», поскольку охватывает весь иерархический ряд природных и природно-антропогенных географических единств. Кроме того, для конструирования геосистем не существует ограничений; достаточно двух объектов, между которыми существуют какие-либо отношения. Понятие «комплекс» предполагает не любой, а строго определенный набор взаимосвязанных компонентов. Число комплексов не может быть бесконечным. В ПТК должны входить некоторые обязательные компоненты. Отсутствие хотя бы одного из них разрушает комплекс.

Кроме основных рассмотренных нами свойств геосистемы обладают и другими, позволяющими заключить, что геосистемы – это сложные динамические системы, представляющие собой целостные образования с устойчивой структурой внутренних и внешних связей, позволяющей им обмениваться веществом, энергией и информацией как между собой, так и с окружающей средой.

ЛЕКЦИЯ 3.БАЛАНСОВЫЕ УРАВНЕНИЯ ГЕОСИCТЕМ.

РОЛЬ БИОТЫ В ГЕОСИСТЕМАХ

Исследование функционирования геосистем должно основываться на функционально-динамическом подходе, а количественные характеристики функционирования и соотношение между внутренним и внешним вещественно-энергетическим обменом изучаться посредством анализа их балансовых уравнений.

Анализ балансовых уравнений геосистем является одним из главных средств их познания. Основное назначение балансового метода – изучение и количественная характеристика динамических явлений, связанных с перемещением вещества и энергии внутри геосистем и между ними в процессе их функционирования. Основными балансами, описывающими процессы функционирования геосистем, являются энергетический, водный и биогеохимический.

Энергетический баланс.Важнейший энергетический источник функционирования геосистем – лучистая энергия солнца. Доля участия других потоков энергии, связанных с излучением небесных тел, тектоническими процессами, вулканической деятельностью и т. д., весьма небольшая. Обеспеченность солнечной радиацией, ее способность превращаться в тепловую, химическую или механическую энергию определяет интенсивность функционирования геосистем. Все вертикальные и горизонтальные связи в геосистемах прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии. Она обуславливает пространственную и временную упорядоченность метаболизма в геосистемах, цикличность их функционирования.

Радиационный баланс (R) геосистем описывается уравнением:

R = (I + i)(1-А)– (Ез – σЕа), где I – прямая и i – рассеянная солнечная радиация; А – альбедо поверхности; Ез – собственное излучение поверхности; Еа – встречное излучение атмосферы; σ – относительный коэффициент поглощения длинноволновой радиации земной поверхностью.

Радиационный баланс и его составляющие являются важнейшими геоэкологическими характеристиками геосистем, позволяющими исследовать процессы их функционирования. Положительные или отрицательные величины радиационного баланса компенсируются несколькими потоками тепла. В результате перемещения этих потоков тепла в геосистемах происходит цикличное изменение температуры воздуха и почвы. Величина и интенсивность теплообмена зависят от влажности воздуха и почвы, литологического состава грунтов, растительного покрова и других факторов. Значительное количество радиационного баланса затрачивается на физическое испарение и транспирацию, т. е. суммарное испарение. Алгебраическая сумма рассмотренных выше тепловых потоков, приходящих на земную поверхность и уходящих от нее, составляет тепловой баланс геосистем и описывается выражением: R + Р + В + LЕ = 0, где R – радиационный баланс; Р – турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой; В – поток тепла между земной поверхностью и нижележащими слоями почвы; LЕ – поток тепла, связанный с фазовыми преобразованиями воды, испарением и конденсацией.

Другие составляющие теплового баланса, не включенные в уравнение, такие как потоки тепла от диссипации энергии ветра, поток тепла переносимый ветром, расход энергии на таяние льда или снега, физическое разрушение горных пород, фотосинтез и т. п., значительно меньше основных членов баланса и обычно их не принимают во внимание при его анализе. Тем не менее, эти потоки играют существенную роль в функционировании геосистем, и более полное уравнение теплового баланса имеет вид: R = L (E + T – C) ± Р ± В ± F ± A, где E – физическое испарение; C – конденсация водяных паров; L – скрытая теплота парообразования; F – затраты тепла на фотосинтез; A – различные адвекции тепла.

Предложенная схема транспортировки лучистой энергии солнца в геосистемах охватывает почти все возможные ее потоки. Однако для разных геосистем она будет различаться в соответствии с их функционированием в конкретном состоянии.

Водный баланс. Влагооборот в геосистемах включает в себя обмен водными потоками между их компонентами и элементами. В процессе превращения, перемещения и изменения водных потоков в них образуются растворы, коллоиды, осуществляется транспортировка и аккумуляция химических элементов, происходят биогеохимические реакции. Интенсивность влагооборота и его структура индивидуальны для различных геосистем и зависят от энергообеспеченности, климатических условий, характера литогенной основы, почв, растительности и других факторов.

Процесс влагооборота в геосистемах может быть описан уравнением водного баланса, отражающим соотношение между его составляющими, то есть статьями прихода и расхода воды. Основной приходной статьей водного баланса является сумма осадков, проступающих в геосистемы из атмосферы (Θос). Часть этих осадков перехватывается растительным покровом (Θрп), остальные в основном поступают на поверхность почвы (Θп) и расходуются на поверхностный сток (Θпов.с), инфильтрацию в почве (Θин) и подземный сток (Θподз.с). К расходным статьям водного баланса геосистем также относятся затраты тепла на физическое испарение с поверхности почвы и растений (Θфи) и транспирацию (Θтр). Кроме того, заметную роль в водном балансе геосистем могут играть различные горизонтальные адвекции влаги (Θад). Таким образом, если начальное количество влаги в геосистеме принять за Θн, а конечное за Θк, то уравнение ее водного баланса примет вид: Θк – Θн = Θрп + Θп – Θпов.с – Θин – Θподз.с – Θфи – Θтр – Θад или ∆Θг = Θос – Θсс – Θси + Θад, где ∆Θг = Θк – Θн; Θос = Θрп + Θп; Θсс = Θпов.с + Θподз.с + Θин; Θсс – суммарный сток; Θси – суммарное испарение; ∆Θг – водно-балансовый индекс геосистемы.

Если за многолетний период водно-балансовый индекс больше нуля, в геосистеме наблюдается прогрессирующее увлажнение; если меньше – иссушение. Нулевое значение ∆Θг соответствует динамическому равновесию водных потоков в геосистеме.

При рассмотрении основных составляющих водного баланса геосистем не было учтено количество воды, расходуемое на фотосинтез и некоторые другие процессы, так как ее количество, как правило, меньше точности определения всех остальных составляющих водного баланса. Однако, ее роль в функционировании геосистем, формировании их геоэкологического потенциала весьма значительна.

Биогеохимический баланс. Специфическим выражением сущности геосистем, позволяющим определить внутренние причины, основу их динамики и развития, выявить значение в формировании геосистем внешних условий, являются процессы образования и разрушения органического вещества, протекающие в рамках биогеохимического цикла их функционирования.

Под биогеохимическим круговоротом понимается вся совокупность процессов обмена веществом между биотическими и абиотическими компонентами геосистем. Основные потоки движения органического вещества в процессе биогеохимического круговорота в геосистемах можно представить в виде балансового уравнения за какой-либо отрезок времени: ∆F = Fнф – Fкф = Fос – Fтр + Fп + Fс + Fж ± F в ± Fа, где Fнф и Fкф – соответственно начальное и конечное количество органического вещества, образовавшееся в геосистеме в результате фотосинтеза; ∆F – коэффициент эффективности биогеохимического цикла геосистемы; Fос – поступление химических элементов с осадками; Fтр – вынос химических элементов с транспирацией; Fп – переход химических элементов из отпада и опада в почву и поступление элементов питания в растения; Fс – вынос или поступление органического вещества с поверхностным, внутрипочвенным и подземным стоком; Fж – потребление химических элементов животными при поедании растений или поступление химических элементов в почву с трупами животных или их экскрементами и другими выделениями; Fв – вынос или поступление органического вещества с воздушными массами; Fа – антропогенное внесение или изъятие органического вещества.

Глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота. Из отдельных химических элементов важнейшими геоэкологическими характеристиками географической среды являются глобальные биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора и серы.

При сравнении геосистем по отдельным показателям функционирования обращает на себя внимание их определенное соответствие друг другу. Анализ системы балансовых уравнений дает возможность изучить взаимосвязи и взаимообусловленность их составляющих, выразить эти зависимости в виде уравнений связи двух и более элементов балансов, исследовать процессы их взаимодействия и роль в формировании геоэкологического потенциала геосистем. Он также позволяет выявить наиболее существенные факторы, определяющие условия жизнедеятельности человека, дает возможность количественно оценить их роль и степень участия в формировании среды его обитания.

Следует отметить, что отличительная особенность вещественно-энергетических круговоротов и балансов географической среды – высокая степень их замкнутости и сбалансированности, в то время как деятельность человека ведет к разомкнутости и, следовательно, к неустойчивости геосистем. Нарушения замкнутости как локальных геосистем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэкологическим проблемам.

Биота – исторически сложившаяся совокупность живых организмов, объединенных общей областью распространения. Живые организмы играют огромную, определяющую, роль в формировании и функционировании геосистем. Именно они превратили Землю в планету, резко отличающуюся от других. Биота обеспечивает стабильность окружающей среды, поддерживая оптимальные условия ее существования.

Функционирование биоты основано на физико-химических и молекулярно-биологических закономерностях. Один из самых важных природных процессов в географической среде – фотосинтез. При образовании органического вещества в процессе фотосинтеза растения, в дополнение к углероду, водороду и кислороду, превращают в органическое вещество азот и серу. Фотосинтезированное органическое вещество – это важнейший возобновимый ресурс географической среды, основа всей жизни и мощный регулятор глобальных биогеохимических циклов.

Для фотосинтеза используется менее одного процента поступающей к поверхности Земли солнечной радиации. В то же время, по абсолютной величине суммарная энергия, затрачиваемая на фотосинтез, значительна. Она на порядок превышает количество энергии, потребляемой человеческим обществом.

Наряду с синтезом органического вещества в природе, происходит и его разложение, или деструкция, то есть распад органических структур на составные части, включая питательные (биогенные) вещества, с выделением энергии. В этом процессе биота играет определяющую роль. На глобальном уровне, главным образом вследствие деятельности биоты, устанавливается с очень высокой степенью точности баланс между продукцией и деструкцией органического вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость цикла углерода, важнейшего биогеохимического цикла. Кроме того, биота осуществляет эффективное управление потоками и концентрацией биогенных элементов, определяя тем самым устойчивость соответствующих глобальных биогеохимических циклов.

В процессе фотосинтеза также образуется кислород. Именно благодаря деятельности биоты атмосфера Земли имеет значительное содержание кислорода. Одним из фундаментальных последствий формирования кислородной атмосферы было образование озонового слоя, отсекающего наиболее губительную для живых организмов часть ультрафиолетовой солнечной радиации, что позволило биоте в процессе ее эволюции выйти из океана на сушу. Важнейшую роль биота играет в выветривании горных пород и образовании почв: микроорганизмы обеспечивают эффективное формирование большей части мелкодисперсной фракции почв, играющей определяющую роль в плодородии почвы. Это далеко не полный перечень важнейших глобальных процессов, в которых биота играет определяющую или важную роль.

ЛЕКЦИЯ 4.ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ГЕОЭКОЛОГИИ

Научное исследование включает два уровня: эмпирический и теоретический. Эмпирическое знание охватывает этапы получения информации, ее обработки и простейших обобщений. Оно формируется при непосредственном контакте исследователя с объектом исследования в ходе наблюдений и экспериментов. Разграничение эмпирического и теоретического не имеет жесткого характера, так как при наблюдениях, экспериментах используются определенные теоретические представления.

Исходным этапом эмпирического уровня является сбор информации в результате целенаправленной познавательной деятельности. В настоящее время существует сложившаяся система наблюдений, в которую входят: методы непосредственных наблюдений, когда наблюдатель, исследователь находятся в прямом контакте с объектом наблюдения, исследования; методы опосредованные, при которых контакт с объектом наблюдения осуществляют специальные устройства – датчики, преобразующие температуру, давление, состав и свойства вещества и иные контролируемые величины в сигналы, удобные для передачи и регистрации; методы дистанционные (бесконтактные), с помощью которых информация о состоянии объекта наблюдения регистрируется на расстоянии от него.

Возможность и результативность использования информации при построении теории и практическом решении геоэкологических проблем определяются многими свойствами: надежностью, релевантностью, кондиционностью и другими отражающими ее качество. Качество получаемой информации также зависит от квалификации исполнителей (наблюдателей); характера свойств используемых технических средств регистрации и обработки данных; методов работы, то есть технологии преобразования и применения информации; организации наблюдений, сбора, систематизации и хранения данных. Критериями надежности служат полнота, точность и достоверность информации.

Результаты наблюдений представляются в виде изображений; баз данных на компьютерных носителях информации, которые вместе с программами обработки входят в состав геоинформационных систем; каталогов; таблиц и т. д.

Информация геоэкологического содержания используется для разных целей, связанных с рациональным природопользование и охраной окружающей среды. Каждое явление требует определенной системы наблюдений во времени. Наиболее полная информация о состоянии окружающей среды получается в результате мониторинговых наблюдений.

Теоретические методы. Обобщение эмпирических фактов вплоть до формирования законов и теорий совершается на теоретическом уровне с использованием абстрагирования, анализа, синтеза, правил абстрактной логики, теории подобия и аналогии, а также различных общенаучных и конкретно-научных принципов и методов.

Научное абстрагирование. Объект, предмет, процессы и явления, изучаемые геоэкологией, настолько велики и сложны, что непосредственное исследование их часто невозможно. Выход из положения заключается в замене реальных объектов моделями или идеальными объектами. Идеальные объекты (и соответствующие им идеальные понятия) представляют собой отражение, подобие реальности и конструируются исследователем из некоторого набора свойств, присущих реальности. При этом второстепенные свойства не учитываются. В природе таких идеальных объектов нет. Однако они отражают существенные стороны реального мира, удобны как исследовательские модели и поэтому являются совершенно необходимыми элементами научного познания.

Метод аналогии. Непосредственное изучение и описание каждого объекта географической среды требуют больших материальных затрат и времени. Методом, позволяющим существенно сократить время на познание, является получение знаний по аналогии. В этом случае геоэкологическому объекту или процессу подбирают аналог в другой системе, которая достаточно изучена, и знания о нем переносят на изучаемый геоэкологический объект.

Информационный анализ. Многие исследования строятся на основе представлений о передаче информации в географической среде. Процессы, происходящие в одних объектах, отображаются в других – в их составе и структуре, распределении вещества и энергии. Поэтому по характеристикам одних объектов мы можем судить о других. Отличия такого подхода от метода аналогии заключаются в том, что аналогия предполагает некоторую идентичность сравниваемых объектов, тогда как в данном случае речь идет о получении любой информации. Следует отметить, что в геосистемах происходит не только передача информации, но и ее накопление, перекодирование. Информация, передаваемая в геосистемах, овеществляется в их структуре, т. е. характере распределения элементов, вещества, в пространственно-временной неоднородности геосистем. Таким образом, структура – это зафиксированная история процессов или записанная информация о событиях.

Структурный анализ. В последние десятилетия существенную роль приобрел тип анализа, основой которого является изучение взаимодействия составных частей геосистем в целом. Иначе говоря, поиск факторов и причин тех или иных особенностей геосистем ведется не за их пределами, а связывается со структурой взаимодействия составных частей объекта. Такой тип анализа можно также назвать кибернетическим, поскольку его основные элементы и аппарат заимствованы из кибернетики.

Ключевым понятием этого типа анализа является обратная связь. Различают положительные и отрицательные обратные связи. Первые усиливают внешнее воздействие на объект, вторые способствуют погашению внешних воздействий. Сочетание положительных и отрицательных обратных связей, наблюдающихся в геосистемах, приводит к возникновению сложных «цепных реакций», к форми­рованию свойств геосистем, которые невозможно объяснить и предсказать с помощью других видов анализа.

Позиционный анализ. Инструментом геоэкологического анализа все чаще становится также позиционный подход. В его основе находится определение положения или позиции геоэкологического объекта относительно потоков вещества и энергии, энергетических полей, природных или антропогенных тел.

Принцип всеобщей связи явлений. Это один из самых универсальных принципов, устанавливающий невозможность независимого существования явлений на земной поверхности. Он ориентирует исследователя на поиски причин явлений, а знание причин позволяет более успешно осуществлять прогноз и регулировать функционирование геосистем.

Частное выражение принципа всеобщей связи явлений – принцип целостности географической среды: изменение любой ее части приводит к изменению всех других, хотя изменения в этой цепи происходят неравномерно в пространстве и во времени.

Взаимодействия порождают эффект эмерджентности – появление у взаимодействующих объектов новых свойств, отсутствующих у каждого из них в отдельности. Если бы эмерджентность географической среды отсутствовала, то для геоэкологов исчезло бы поле деятельности, поскольку все ее отдельные компоненты изучаются географией, геологией, биологией и другими науками.

Принцип историзма. Этот принцип в геоэкологии определяет необходимость рассмотрения взаимодействия природы и общества с учетом истории его развития. Принцип является составной частью сравнительно-исторического метода, позволяет на основе анализа современной картины окружающей среды воспроизводить ее условия в прошлом.

Экологический принцип. Если явление рассматривается в качестве среды для другого явления, налицо экологический принцип исследования. В этом случае то, ради чего изучается среда, называется «субъектом рассмотрения». Субъектом может быть организм, вид, биоценоз, как это принято в классической экологии. Но субъектом могут выступать также геосистема, атмосфера или океан, система влагооборота или почва. Объектом (средой) является все то, что влияет на состояние субъекта. В зависимости от субъекта таких отношений можно выделить биоэкологию (субъект – организм (вид), популяция, биоценоз) и геоэкологию (субъект – природная или природно-антропогенная геосистема любого ранга).

Эксперименты– методы геоэкологии, к числу которых относятся: натурные эксперименты, связанные с организацией направленных воздействий на природные или природно-антропогенные геосистемы и изучением их реакций; модельные эксперименты, которые осуществляют на аналогах определенных природных или природно-антропогенных геосистем в лаборатории или на компьютере. Экспериментами иногда называют и наблюдения в контролируемых условиях.

Моделирование. Модель – это упрощенное воспроизведение изучаемого объекта в виде физической конструкции, совокупности математических формул, карты, блок-диаграммы и др. Классификации моделей основаны на характере моделируемых объектов, разнообразных свойствах моделей, форме отображения ими реальности, способе реализации, сфере приложения и т. д. По способу реализации модели, применяемые в геоэкологии, делятся на три класса: вербальный, графический и математический. Внутри классов выделяются роды, виды и группы моделей. Вербальные (словесные) модели – это любое описание, выполняющее функцию замещения объекта в процессе его исследования. К графическому классу относятся модели, где элементы геосистем и их связи исследуются с помощью геометрических фигур и стрелок. В математический класс входят модели, где объекты, связи и процессы отображаются с помощью математических символов. Анализ модели (как и эксперимент с моделью) позволяет получить новые знания. Построение моделей является вынужденной мерой, обусловленной невозможностью исследовать реальный объект во всей его сложности. Естественно, что упрощение не должно касаться наиболее важных с точки зрения решаемых задач элементов. Модель обычно строится также на основе преобразования масштабов: пространственных и временных. Геоэкологическая модель всегда меньше по размерам реального объекта. Если модель динамическая, то, как правило, воспроизведение процессов идет с большей скоростью по сравнению с реальными условиями.

Сложность устройства окружающей среды значительно ограничивает возможность использования физических конструкций (т. е. моделей в самом прямом смысле) для воспроизведения процессов. Гораздо более эффективны математические модели. Математическое моделирование позволяет воспроизводить процессы при учете разных факторов, исключая одни и вводя другие. В этом случае реализуется классическая схема экспериментов, характерная для физики, химии, физиологии и ряда других наук.

Следует отметить, что реализация моделирования как средства познания при проведении геоэкологических исследований имеет ряд особенностей, обусловленных необходимостью учета большого количества сложных взаимоотношений разнокачественных природных и антропогенных образований. В ходе изучения геоэкологических объектов модель выполняет различные функции: нормативную, собирательную, эталонную, систематизирующую, объяснительную, конструктивную, коммуникативную, прогнозирующую и др. Следует отметить, что ряд моделей взаимозаменяем и совместное их использова

Тема: ландшафтно-геофизические методы в комплексных геоэкологических исследованиях

ТЕМА: ЛАНДШАФТНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Сущность и история развития ландшафтно-геофизических методов. Радиационный и тепловой балансы. Водный и вещественный балансы.

1. Сущность и история развития ландшафтно-геофизических методов.

Геофизические методы – это совокупность приемов, при помощи которых изучаются физические свойства геосистем: процессы обмена веществом, энергией и информацией геосистем с окружающей средой и внутри себя (метаболизм). Геофизические направления пронизывают практически все отраслевые физико-географические дисциплины – геоморфологию, климатологию, метеорологию, гидрологию, гляциологию и т. д. Для научного объяснения гидрологических, метеорологических, геоморфологических процессов представители указанных выше географических наук широко обращаются к законам физики.

Геофизический под­ход к изучению природной среды зародился столь же давно, как и сама география. С самых ранних этапов развития географии для нее было свойственно стремление охарактеризовать наиболее общие особенности строения Земли, ее вещественного состава, познать физическую сущность процессов: круговорота воды, циркуляцию воздушных масс, разрушения и перемещения горных пород и т. д. Однако как отдельное научное направление, геофизический подход оформился во второй половине ХХ века, у его истоков стояли , и .

ещё в 1929 году писал о том, что для изучения механизма процессов, протекающих в природной среде, необходимо установить прихо­до-расходный баланс тех категорий энергии и тех видов материи, которые играют основную роль в географических процессах. Он неоднократно подчеркивал, что все протекающие в природе процессы тесно взаимосвязаны, и ввел в науку понятие единый физико-географический процесс (1934).

Геофизический подход был применён и при изучении механизмов формирования природных зон. Они установили, что ведущую роль и их формировании играют соотношение поступающей солнечной радиации и атмосферной влаги, определяющее интенсивность ряда при­родных процессов и, прежде всего, биологического круговорота вещества. Эта закономерность была ими выражена в виде одного из основных геофизических показателей природных зон – радиаци­онного индекса сухости (Кс), который представляет собой отноше­ние годового радиационного баланса (R) к годовой сумме осадков (г), умноженной на скрытую теплоту испарения (L):

Изучение изменения индекса сухости в различных природных зонах привело к открытию периодического закона географической зональности.

Таким образом, геофизический метод в комплексной физиче­ской географии первоначально был применен для исследования энергообмена в пределах довольно крупных ПТК (природных зон) и базировался на использовании массовых данных наблюдений на станциях гидрометеосети. Дальнейшее применение его для деталь­ного изучения более мелких ПТК тормозилось отсутствием необ­ходимых для этих целей фактических данных.

Массо-, энергообмен различных ПТК очень индивидуальны и могут существенно изменяться во времени и в пространстве (от комплекса к комплексу), поэтому надежность геофизических показателей зависит от длительности и массовости наблюдений, ко­торые могут быть обеспечены лишь стационарными исследовани­ями.

В 60–70-х гг. XX в. создан ряд комплексных физико-географиче­ских стационаров, исследования на них, призванные обеспечить сбор фактического материала путем инструментальных наблюдений в разных ПТК, приобретают достаточно широкий размах, давший возможность изучения геосистем низкого ранга. Дополнительный толчок развитию геофизического направле­ния в комплексной физической географии в 70-х гг. дает использо­вание дистанционных методов исследования. Всё это привело к созданию нового направления – геофизики ландшафта (основатель ), изучающая различные аспекты функционирования геосистем и их состояний (суточных, сезонных, годовых, многолетних). Под функционирование геосистем понимается вся совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме.

Таким образом, функционирование ПТК состоит из множества элементарных процессов, имеющих физическую, химическую или биологическую основу. Примерами таких процессов являются па­дение капель дождя, просачивание их сквозь почву, подтягивание влаги по капиллярам, фотосинтез, разложение органики микро­организмами и т. д. Но в природе эти элементарные процессы тес­но взаимосвязаны, так, капля воды не только просачивается сквозь почву, но и растворяет некоторые из содержащихся в ней соеди­нений, перемещает их в более низкие горизонты или уносит за пределы почвенного профиля, либо эта капля может оказаться захваченной корнями растений и участвовать в синтезе органиче­ского вещества. Поэтому просачивание воды сквозь почву может рассматриваться как с точки зрения физических закономерностей и методами физики, так и с позиций химии, ее методами иссле­дования.

На этом примере мы видим, как элементарные процессы, свя­занные с определенными формами движения материи, перепле­таются и переходят друг в друга, интегрируясь во все более слож­ные географические процессы. Так называемые частные географи­ческие процессы (испарение, эрозия, карстообразование, почво­образование, сток и т. д.) изучаются отраслевыми географически­ми дисциплинами. Однако с точки зрения функционирования ПТК такое расчленение условно. Например, сток – это процесс одно­временно и гидрологический, и геоморфологический, и геохими­ческий, а в их сочетании – физико-географический процесс в широком смысле этого слова. Это учитывается в рамках геофизики ландшафта, которая изучает ПТК, как функционально целостные объекты.

Влагооборот (круговорот воды в природе) – одно из главных функциональных звеньев ПТК. Другим звеном является минеральный обмен (геохимический круговорот). Влаго­оборот, минеральный обмен и газообмен (как его часть) охваты­вают все потоки вещества в ПТК (массообмен). Однако мы знаем, что перемещение, обмен и преобразование вещества сопровожда­ется поглощением, высвобождением и трансформацией энергии, т. е. массообмен неразрывно связан с энергообменом, который, в свою очередь, является специфическим функциональным звеном ПТК. Таким образом, главным подходом к исследованию функцио­нирования ПТК является изучение трех главных его звеньев – влагооборота, минерального обмена и энергообмена.

Возможны два разных подхода к изучению функционирова­ния ПТК и его отдельных звеньев. Один из них заключается в том, что различные процессы (степень их сложности может быть разной) изучаются самостоятельно. Этот подход не вполне отвеча­ет задачам познания ПТК как целого. Он более характерен для отраслевых исследований, однако используется и в комплексной физической географии, где на интеграции элементарных процес­сов по формам движения материи с последующим их изучением на уровне и методами современной физики или химии базируется развитие таких новых направлений, как геофизика и геохимия ландшафта. Другой путь – изучение функционирования ПТК по принципу «черного ящика»: суммарно учитывается все вещество или энергия, поступающие в ПТК (на входе) и выходящие из него (на выходе), не вдаваясь в детали, что и как происходит внутри комплекса. При таком подходе теряется сущность и географический смысл протекающих в природе процессов, для познания которых важно изучать не только внешние потоки, но и внутренний оборот, так как от него зависят многие свойства ПТК, в том числе и его устойчивость по отношению к внешним воздей­ствиям. Внутренние потоки по своей интенсивности намного пре­восходят внешние.

Количественная оценка соотношения между внешним и внутренним массо — и энергообменом ПТК и в целом его функциони­рование даются в виде баланса вещества и энергии. Следовательно, балансовые уравнения ПТК – это средство их физического описания. Активным сторонником метода балансов в физической географии был (центральное место у него занимает проблема обмена веществом и энергией между живой и неживой природой). Важное значение этого метода неоднократно подчеркивал и , считавший, что приходо-расходные балансы вещества и энергии являются внеш ним выражением качественных различий физико-географического процесса.

Метод балансов позволяет рассматривать потоки вещества и энергии, поступающие в ПТК и выходящие из него, а также внутренние преобразования и связи процессов внутри комплекса. Недостаток этого метода – неполное отражение сущности природных процессов. Для составления балансов надо знать величины поступления разных видов вещества и энергии в ПТК, их внутреннего обмена, метаболизма и аккумуляции, а также выноса за пределы ПТК. Материалов для расчета баланса конкретных ПТК накоплено еще очень мало, поэтому приходится пока пользоваться не всегда однородными, часто отрывочными или косвенными данными.

Существует также ряд специальных направлений геофизики ландшафтов, изучающие отдельные физические аспекты функционирования геосистем. К ним можно отнести:

– оптику ландшафта – учение о взаимодействии солнечного излучения с геосистемами суши; её значение в том, что по отражательным характеристикам фотографических изображений земной поверхности в разных спектрах длин волн можно судить о территориальном распределении различных свойств ландшафтов – плотности и структуре древостоев, о запасах влаги в поверхностном слое почвы, о степени засоления почв и т. д.;

– радиофизическое направление, объектом изучения которой являются радиогеосистемы – локальные территориальные геосистемы с идентичной по всей своей протяжённости радиоформирующей структурой. Любой элемент ландшафта является источником радиотеплового излучения, в том числе в СВЧ-диапазоне. Потому радиогеосистему следует понимать как одну из моделей ПТК, которая строится на основании радиотеплового излучения конкретных участков земной поверхности.

– направление, изучающее энергетику почвообразования и другие.

Геофизические исследования проводят преимущественно в условиях стационаров, применяя метод сопряжённого анализа.

2. Радиационный и тепловой балансы.

Эти балансы описывают поток энергии в ПТК. Все вертикальные и многие го­ризонтальные связи ПТК прямо или косвенно связаны с транс­формацией солнечной энергии. Поэтому важнейшее значение при геофизических исследованиях имеет определение радиационного и теплового балансов ПТК. Они измеряются в ккал/см2 или кДж/м2 (единицы СИ) в год, либо в кал/см2 в минуту. Радиационный баланс рассчитывается по формуле:

где R – радиационный баланс, А – альбедо, Eэф – эффективное длинноволновое (тепловое) излучение, Q – суммарная радиация, которая слагается из прямой (I) и рассеянной (Q = I + S). Альбедо (отражательная способность) измеряется соотношением отражённой коротковолновой радиации (D) к суммарной радиации (Q):

.

То есть радиационный баланс – это та часть поступающей в геосистему солнечной энергии, которая была усвоена геосистемой и включилась во внутригеосистемный и межгеосистемный круговорот.

Альбедо весьма существенно изменяется от комплекса к комплексу и является важнейшей геофизической характеристикой ПТК. Это обусловлено зависимостью альбедо от особенностей деятельной поверхности, которая является продуктом формирования комплекса и отражает его специфику. Так, альбедо сухого свежевыпавшего снега составляет 0,80 – 0,95, чистого влажного снега – 0,60 – 0,70, загрязненного снега – 0,30 – 0,50; светлых горных пород – 0,20– 0,40, темных горных пород – 0,05 – 0,10; сухих светлых песчаных почв – 0,35 – 0,45, влажных серых почв – 0,10 – 0,20, темных почв – 0,05 – 0,15; густого зеленого травостоя – 0,20 – 0,25, тра­вяной ветоши и болот – 0,15 – 0,20, ерниковой и мохово-лишай-никовой тундры – 0,15 – 0,25, лиственного леса в период вегета­ции и пожелтения – 0,15 – 0,20, хвойного леса – 0,10 – 0,15.

Эффективное излучение определяется по формуле: Еэф = Ез – Еа, где Ез – тепловое излучение земной поверхности, Еа – встречное тепловое излучение атмосферы, направленное к деятельной поверхности.

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, поэтому тоже из­меняется от комплекса к комплексу, порой весьма существенно.

Особенности радиационного баланса ПТК зависят не только от его географического (широтного) положения, режима облачно­сти и запыленности атмосферы, которые могут быть одинаковы на значительных пространствах, но и от многих местных (локаль­ных) факторов: экспозиции и крутизны склона, альбедо деятель­ной поверхности, теплоемкости литогенной основы и т. д., поэто­му радиационный баланс даже рядом расположенных фаций мо­жет существенно отличаться.

Для определения составляющих радиационного баланса обыч­но используют приборы:

– актинометр (для измерения прямой радиации; позволяет измерить поток солнечной прямой радиации на перпендикулярную к лучам поверхность, а поток на горизонтальную поверхность легко найти по формуле I =I0 sin hQ, где hQ – высота Солнца),

– альбедометр (для измерения суммарной, рассеянной и отражен­ной радиации),

– балансомер (для измерения радиационного баланса деятельной поверхности).

Эффективное излучение либо измеряется при по­мощи пиргеометра, либо рассчитывается по данным метеорологи­ческих наблюдений за температурой, влажностью воздуха и облач­ностью. Например, по формуле и :

,

где Е0 – эффективное излучение при при безоблачном небе; д – коэффициент, характеризующий отличие свойств излучающих поверхностей от свойств черного тела, коэффициент д мало меняется в разных естественных условиях и может быть принят за 0,95); у – постоянная Стефана – Больцмана; Т – абсолютная температура воздуха (в °K), е – абсолютная влажность воздуха. Учет влияния обилия и высоты облачности осуществляется по формуле:

в которой h – облачность в долях от 1; с’ – коэффициент на высоту (ярусность) облаков.

Радиационный баланс выражает то количество солнечной энер­гии, которое задерживается (поглощается) земной поверхностью, Преимущественно растительностью и почвой. Чрезвычайно инте­ресно проследить дальнейшие пути поглощенной энергии в природном комплексе, где она преобразуется в другие виды энергии, главным образом в тепловую и лишь в малой дозе и временно – в химическую энергию органического вещества.

Тепловой баланс описывается уровнением

R = L (E + T) + PA + P + F ± A + BZ – LC,

где L – скрытая теплота парообразования (≈ 0,06 ккал/см3), E + T – суммарное испарение, где Е – физическое испарение, Т – транспирация растениями, PA – затраты тепла на турбулентный обмен с атмосферой, Р – теплообмен в деятельный слой (растительный покров), А – поток тепла в почву или из почвы, F – затраты теплоты на фотосинтез, BZ – вынос тепла со стоком, С – конденсация водяных паров.

Рисунок – Схема потоков солнечной энергии в лесной геосистеме.

Обозначение составляющих радиационного и теплового балансов дано в тексте

Основ­ной приходной статьей баланса является поглощенная солнечная радиация (R). Второстепенной статьей, доля которой столь мала, что в подавляющем большинстве ПТК ею можно пренебречь, слу­жит внутренняя теплота Земли. Главными статьями расхода явля­ются турбулентный обмен теплотой между подстилающей поверх­ностью и атмосферой (РА) и затраты теплоты на испарение как физическое (LE), так и транспирацию растений (LT), где L – скрытая теплота парообразования. Соотношение этих двух статей в общих чертах подчинено закону зональности. В гумидных районах затраты теплоты на испарение превышают затраты на турбулент­ный обмен, а в аридных основная часть теплоты расходуется на турбулентный поток теплоты в атмосферу (табл. 9). Обе эти статьи могут менять свой знак в разное время суток и в отдельные сезоны года, т. е. вместо испарения может происходить конденсация влаги (LC) в виде росы или инея. А турбулентный поток теплоты может быть направлен не только от земной поверхности в атмосферу, но и из атмосферы к поверхности Земли.

На другие статьи расхода тратится лишь небольшая часть теп­лоты, тем не менее они играют значительную роль в функциони­ровании ПТК. Особой статьей расхода являются затраты теплоты на биохимическую реакцию фотосинтеза, в результате которой про­исходит накопление солнечной энергии в растительной массе. Со­держание энергии в образовавшейся фитомассе (энергетический эквивалент) определяется по калорийности (теплоте сгорания) органического вещества. В среднем она близка к 4,5 ккал на 1 г сухого вещества, но существенно варьирует у разных сообществ, видов и отдельных органов растений. На долю этой ста­тьи приходится всего 1-2% поступающей в ПТК теплоты, но принципиальное значение ее очень велико.

Еще одной статьей расхода является теплообмен с почвой (А), имеющий переменный знак: в теплое время года и днем он направ­лен от поверхности в глубь почвы, а в холодное время и ночью – в противоположном направлении, но за годовой цикл в среднем многолетнем этот поток равен нулю. При отрицательном потоке в некоторых местах образуется мерзлота, а при положительном про­исходит разогревание земной поверхности. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных условиях с резкими колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Его вели­чина зависит также от влажности и механического состава почвогрунтов, от растительного покрова.

В этом балансе не учтен расход теплоты на таяние снега, льда, сезонной мерзлоты в почве и деятельного слоя многолетней мер­злоты. Однако при расчете годового баланса он должен учиты­ваться, так как на таяние снега, льда и сезонной мерзлоты в об­щей сложности расходуется в умеренных и высоких широтах до 2 – 5% теплоты (при замерзании воды затраченная теплота вы­деляется).

Главной задачей изучения расхода тепла в геосистемах является определение расхода теплоты на турбулентный обмен и на суммарное испарение (физическое и транспирацию влаги рас­тениями), как важнейших расходных статей теп­лового баланса.

В настоящее время существует несколько методов определения испарения: весовой, водобалансовый, градиентный теплобалансовый, расчетный (по данным метеорологических наблюдений).

Весовой метод. Испарители предназначены для определения величины испарения за разные промежутки времени весовым методом путем взвешивания монолитов почв (аналогичный прибор применяют для изучения испарения с поверхности снега). При этом почвенными дождемерами, осадкомером Третьякова или другими приборами регистрируется количество осадков, выпавшее за период наблюдений.

Воднобалансовый метод. Довольно точным методом определения суммарного испарения за многолетний период (год или гидрологический год) выступает метод водного баланса. Испарение рассчитывается как замыкающий член уравнения: X = Z + E, в котором X – годовые атмосферные осадки, Z – годовой суммарный сток.

Этот способ имеет свои преимущества и недостатки. Первые связаны с наличием массового материала Гидрометеослужбы страны по осадкам и стоку для бассейнов средних и малых рек; точность измерений, после введения поправок на осадки, достаточно велика. Метод позволяет получить данные по испарению для физико-географических зон, подзон, провинций, реже ландшафтов. Недостатки водобалансового метода – невозможность получения данных по испарению за короткие периоды (декады, месяцы, сезоны года) и данных для локальных физико-географических единиц (фаций, подурочищ, урочищ).

Теплобалансовый метод. В основу расчета затрат тепла на испарение положены данные срочных наблюдений за температурой и абсолютной влажностью воздуха на двух высотах, например, для лугов на высотах 50 см и 200 см от поверхности. Одновременно фиксируется значение радиационного баланса и определяется поток тепла в почву (расчет потока тепла в почву будет дан ниже). При градиентных теплобалансовых наблюдениях в том случае, когда (R – А) ≥ 0,10 кал/см2 мин, Де

Природно-территориальные комплексы и время их существования.

В литературе по ландшафтоведению существует несколько точек зрения на возраст ПТК.

В. Б. Сочава возрастом геосистем называет продолжитель­ность ее существования как определенного структурно-динамического типа. Возраст всякой современной геосистемы исчисля­ется по времени, когда между ее компонентами установились действующие отношения. Как правило, чем выше ранг геосистемы, тем больше ее возраст. Переход от одной возрастной ступе­ни к последующей знаменуется изменением инварианта гео­системы.

Авторы толкового словаря «Охрана природы» (1982) счита­ют, что возраст ландшафта—это отрезок времени, с начала которого до наших дней ландшафт функционирует в условиях одной инвариантной структуры. Понятие возраста тесно связано со временем возникновения ландшафта — датой (эпохой, периодом), начиная с которого ландшафт приобрел структуру, близкую к современной.

В горных странах с активными современными геоморфоло­гическими процессами при смене одной фации другой на первый план выступают изменения форм рельефа. На равнинах, напро­тив, последние не играют существенной роли и смена фаций зависит в основном от изменений почвы.

Все фации по длительности своего существования можно подразделить на три группы: 1) кратковременные (

4. Отдельные процессы и явления в ПТК довольно часто бывают асинхронными. Это связано с тем, что они имеют раз­личные источники колебаний (например, солнечная энергия и осадки или же гравигенные процессы), которые далеко не всегда бывают синхронны во времени.

Рисунок 12.8 – Наложение частот: П — процесс или явление; t — время; 1 — высокочастотные, 2 — среднечастот­ные; 3 — низкочастотные составляющие

Рисунок 12.9 – Инерционность процес­сов и явлении и «затухание» ам­плитуд: 1 — суммарная радиация; 2 — тем­пература почвы на глубине 20 см; 3 — температура почвы на глубине 160 см; П—процесс или явление; t — время

5. Приведенные положения обусловливают то, что зависи­мость между изменением времени отдельных процессов и явлений в ПТК носит очень сложный характер, который иногда трудно бывает объяснить без предварительного синтеза времен­ных изменений.

Под состоянием природно-территориального комплекса пони­мается некоторое соотношение параметров, характеризующих его в какой-либо промежуток времени, в котором конкретные входные воздействия (солнечная радиация, осадки и т. п.) тран­сформируются в выходные функции (сток, некоторые другие гравигенные потоки, прирост фитомассы и т. д.).

Состояния в первую очередь различаются по длительности. В самом общем виде выделяются:

1. Кратковременные состояния — продолжительностью менее одних суток. Эти состояния связаны в основном с высокочас­тотными компонентами — воздушными массами и их изменени­ями.

2. Средневременные состояния имеют продолжительность от одних суток до одного года. Из них наиболее важны стексы — суточные состояния, обусловленные сезонной ритмикой, погод­ными условиями и динамической тенденцией развития фации. Широко известны сезоны года, которые также можно рассмат­ривать как состояния.

3. Длинночастотные состояния — продолжительность которых более одного года. Они обычно связаны либо с многолетними климатическими циклами, либо с сукцессиями растительного покрова.

От смен состояний ПТК следует отличать смену самих комп­лексов, которая происходит при изменении инвариантных свойств структуры и функционирования природно-территориальных комп­лексов. Эта смена особенно хорошо наблюдается при изменении литогенной основы, но проявляется и при изменении биоты, поч­вы, среднемноголетнего режима гидрометеорологических пара­метров и др.

6. Основные источники энергии природных процессов в ландшафте.Из процессов функционирования ПТК можно выделить следующие основные: 1) трансформация солнечной энергии; 2) трансформация энер­гии, связанной с силой тяжести; 3) влагооборот; 4) биогеоцикл; 5) гравигенные потоки. Кроме них существенное значение имеют латеральные перемещения воздушных масс; процессы, связан­ные с миграцией биогенного компонента, и др. Каждый из этих процессов состоит из так называемых элементарных процессов функционирования ПТК. К элементарным относятся процессы, вызванные следующими факторами: 1) перемещением геомасс в пространстве; 2) изменением количества геомасс во времени; 3) трансформацией какой-либо геомассой энергетических потоков.

Трансформация солнечной (электромагнитной) энергии включает в себя не только радиацион­ный и тепловой баланс, но и преобразование солнечной энергии в биогенном и других компонентах ПТК.

За счет энергии ускорения свободного падения, силы тяже­сти происходит целый ряд процессов в природно-территориальных комплексах: 1) выпадение осадков и их фильтрация в почву; 2) некоторые процессы биогеоцикла (опад и отпад); 3) сток поверхностный и подземный; 4) гравигенные потоки (обвалы, оползни, осыпи) и др.

Анализ полученных материалов показывает, что работа, совершаемая в гравитационном поле при движении геомасс сверху вниз и снизу вверх, близка. Это не удивительно, так как в большинстве ПТК наблюдается сбалансированность потоков геомасс, связанных с действием гравитационных потоков, в ко­нечном итоге сводимых к действию трансформации солнечной энергии и направленных против гравитационного поля.

Кроме солнечной и гравитационной энергии в природе в на­стоящее время известно еще 12 видов энергии. Из них в природно-территориальных комплексах наиболь­шее значение имеют следующие.

1. Тепловая энергия — часть энергетического движения ча­стиц тел, которая освобождается при наличии разности темпе­ратур между данным телом и телами окружающей среды. Осо­бенно интенсивное выделение — поглощение тепловой энергии — происходит при пожарах, таянии — замерзании и испарении — конденсации. Тепловая энергия тесно связана с трансформацией солнечной энергии, ее временной аккумуляцией в органическом веществе (может быть и в течение больших промежутков време­ни, например, в угле) и последующем высвобождении, поэтому их следует рассматривать совместно.

2. Механическая энергия — кинетическая энергия свободно движущихся тел и частиц, например энергия ветра, энергия твердых частиц, переносимых при перемещении потоков веще­ства вдоль по склону под действием потенциальной энергии, и т. д. В некоторых ПТК может достигать существенных значений. Однако ее всегда можно свести либо к трансформации солнечной радиации, либо к трансформации гравитационной энергии.

3. Электрическая (электродинамическая), электростатическая и магнитостатическая энергия образуют физические поля в ПТК, имеющие, однако, в подавляющем большинстве случаев очень низкие интенсивности.

4. Химическая энергия — энергия систем из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов или молекул при химических реакциях.

Часто выделяют особый вид энергии — биологическую. Но биологические процессы обычно рассматриваются как особая группа физико-химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии, что и в других (Алексеев, 1983). Так, в расте­ниях электромагнитная энергия солнечного излучения пре­вращается в химическую энергию, а в организмах животных химическая энергия пищи превращается в тепловую и механи­ческую, а затем в электрическую и световую.

Из существующих видов энергии, кроме трансформации солнечной и гра­витационной энергии, для природно-территориальных комплексов наиболее важны тепловая энергия, в частности, выделяющаяся при пожарах, и меха­ническая энергия, например, выделяющаяся при ветре.

7. Радиационный баланс земной поверхности.Радиационный баланс деятельной поверхности, на которой проис­ходит преобразование потока солнечной энергия, или радиационный баланс элементарного ПТК, записывается как:

где А — радиационный баланс, J — прямая радиация,S- рассеянная радиация, А — альбедо, Еэф – эффективное длинноволновое излучение. Прямая и рассеянная образуют суммарную радиации – Q.

Важнейшей геофизической характеристикой деятельной поверхнос­ти, отличающей одно ПТК от другого, выступает ее отражательная способность — альбедо. А= Д/Q, где Д– отраженная коротковолновая радиация, Q – суммарная радиация.

где Eз — тепловое излучение земной поверхности, Еа — тепловое излучение атмосферы к деятельной поверхности.

Региональные и локальные особенности радиационного режи­ма геосистем определяются сле­дующими основными факторами: географическим положением, опре­деляющим угол падения солнечных лучей, режимом облачности, за­пыленностью, экспозицией склонов (элементами мезорельефа),отражательной способностью деятельной поверхности, теплоемкостью литогенной основы.

Альбедо, с одной стороны, определяет энергетику геокомплекса, а с другой -продукт его формирования. Преднамеренные и непреднамеренные преобразования климата часто связаны с изменением альбедо деятельной поверхности.

Уравнение теплового баланса деятельного слоя — внутреннего про­странства геосистем, в пределах которого осуществляется расхож­дение радиационного тепла,- можно записать так:

в которой R — радиационный баланс; Е — физическое испарение; Т — транспирация; Р — затраты тепла на турбулентный обмен с ат­мосферой; Aп поток тепла в почву и из почвы; F — затраты тепла на фотосинтез; Bz — тепловой сток. LC — тепло, выделяющееся при конденсации водяных паров; L — скрытая теплота парообразования. Физическое испарение и транспирация составляют сум­марное испарение — Е . Размерность уравнения: кДж/м 2 . с, или ккал/см 2 . год. В уравнении (12.3) не учтен тепловой поток из глубин Земли к нижней границе геосистем.

Важнейшими расходными составляющими теплового баланса являются затраты тепла на суммарное испарение и турбулентный обмен с атмос­ферой. Вынос тепла со стоком, затра­ты на процесс фотосинтеза составляют не более 1-4% радиационного баланса.

Геосистемы могут быть описаны энергетическими характеристи­ками: либо абсолютными их значениями (суммарной радиацией, ра­диационным балансом, затратами тепла на испарение и турбулентный обмен, для отдельных сезонов года — величиной потока тепла в почву), либо относительными.

Крайние выраже­ния теплового баланса отмечены летом для пустынной зоны, когда R≈P, я весной для тундровой зоны, когда R≈LE. Наиболее репре­зентативным показателем выступает, пожалуй, отношение LE/P. Географическое распределение испарений в геосистемах зависит от энергетических ресурсов (для тундровой и лесной зон) и условий увлажнения (лесостепная, степная, полупустынная и пустын­ная зоны). По данным теплобалансовых стационарных наблюдений в тундровой зоне в летний период отношение LE/R не превышает 54%. Это связано с плохой водоотдачей распространенных здесь мохово-торфяных комплексов. В лесной зоне отношение LE/R в летнее время возрастает до 80%, уменьшаясь в степной и особенно в пустынной зонах.

Специфической особенностью теплового баланса луговых поверх­ностей в период с положительной температурой воздуха выступает повышение теплового потока в почву в области распространения мерзлое пород. Он может достигать 10-14% по отношению к R .

Суточный ход составляющих теплового баланса (его структуры) специфичен для каждой природной зоны (подзоны). Тождествен только суточный ход радиационного баланса.

В пустыне основная часть радиационного тепла (в дневные ча­сы до 66%) расходуется на турбулентный теплообмен, в лесной зоне ЕTC — на испарение (67%); в Якутии расходные статья теплового баланса в летний полдень примерно- одинаковы (30-35%), но «лидиру­ют» затраты тепла на прогрев почвы;

В степи затраты тепла на испарение больше, чем в пустыне, однако в часы наибольшего притока радиационного тепла они могут быть меньше турбулентного потока;

Во всех природных зонах в период с 16 ч до 7 ч поток тепла направлен из почвы в атмосферу и расходуется на испарение и тур­булентный обмен.

Характер перераспределения радиационного тепла определяет фор­мирование определенного метеорологического режима приземного слоя атмосферы, внутреннего пространства геосистем, набор различных их состояний, определяемый погодными условиями.

8. Водный баланс и водные режимы геосистем.влагооборот — совокупность процессов превращения, перемещения и изменения количества гидромасс в природно-территориальных комплексах. С влагооборотом тесно связан водный баланс территории. Еще в 1884 г. А. И. Воейков рассчитал водный баланс Каспийского моря по формуле

где И — испарение; О — осадки; С — сток.

Водный баланс — соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или любого другого исследуе­мого объекта. В общем случае уче­ту подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверх­ностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запасов влаги в почвогрунтах и др.

Комплексный метод изучения вод­ного баланса состоит из следующих уравнений:

P = S + U + E; W = P-S = U + E, (12.5)

где Р — осадки; S — поверхностный сток; U — подземный сток; Е — суммарное испарение; W — валовое увлажнение терри­тории.

В различных природно-территориальных комплексах влаго­оборот может существенно отличаться. Водный режим – изменение во времени уровней и объемов воды в реrах, озерах и болотах. Выделяют три основных типа водного режима почв.

Промывной тип – характерен для областей, где сумма годо­вых осадков превышает испаряемость. В этих условиях природно-территориальный комплекс подвергается сплошному промачиванию и нисходящее движение влаги в почве и горных по­родах преобладает над восходящим. Просачивающаяся вода достигает уровня грунтовых вод.

Непромывной тип – характерен для областей с испаряемо­стью большей, чем осадки. В ПТК наблюдается дефицит влаж­ности и почва промачивается лишь на некоторую глубину. Про­сачивающаяся влага не достигает уровня грунтовых вод. Влага, поступившая в ПТК, возвращается в атмосферу путем испарения и десукции и последующей транспирации.

Выпотный тип – формируется в засушливом климате при близком уровне залегания грунтовых вод, из которых корни растений отсасывают влагу, при этом грунтовые воды как бы «отпотевают» через растения в атмосферу.

Наиболее увлажненными являют­ся водосборы рек бассейнов Белого, Баренцева и Балтийского морей. Здесь выпадает ежегодно в среднем от 765 до 710 мм осадков. Слой стока составляет 259—341 мм, слой испарения 369—506 мм. Значительно увлажнены также водосборы рек Дальнего Востока, принадлежащие к бассейнам Берингова, Охотского и Японского морей. В этих районах ежегодно в среднем выпадает 652 мм осадков, из них 273 мм стекает и 379 мм испаряется. Меньше увлажнены бассейны морей Лапте­вых, Восточно-Сибирского и Чукот­ского, а также бессточные районы Казахстана и Средней Азии. Здесь ежегодно выпадает соответственно 423 и 299 мм. При этом в бассей­нах указанных морей стекает почти половина выпавших осадков (206мм), а в бессточных районах—только 52 мм (17%); остальные осадки рас­ходуются на испарение, которое в пределах Дальнего Востока состав­ляет 217 мм (51%), а в бессточных районах—247 мм (83%). Наибольшее количество осадков выпадает на Черноморском побере­жье Кавказа (более 2000—3000 мм); испаряется здесь 700—750 мм, сток достигает 2000—2500 мм. В пустын­ной зоне выпадает от 130 до 180 мм осадков, которые почти все испаря­ются; средний сток здесь менее 3 мм и наблюдается лишь местами, пре­имущественно на глинистых грунтах.

Распределение на территории России осадков, стока и испарения соответствует расположению ланд­шафтных географических зон и вы­сотных поясов (в горах).

9. Уравнение связи водного и теплового балансов.Балансовые уравнения, описывающие вход, трансформацию и вы­ход вещества и энергии из внешней среды в геосистему и обратно в среду, имеют общие члены, что указывает на взаимосвязь и взаимо­обусловленность компонентов и процессов в природе.

В основе связи теплового и водного балансов лежит процесс испарения. М.И.Будыко (1971) предложил следующее выражение уравнения связи

, (12.6)

где Е‘- суммарное испарение, е — основание натуральных логарифмов.

R/LX – радиационный индекс сухости, R – радиационный баланс, L – скрытая теплота испарения, X – атмосферные осадки.

Другая общепринятая форма записи уравнения связи имеет вид:

, (12.7)

где Е_о– максимально возможное испарение.

Уравнение связи позволяет представить в общем виде зависи­мость испарения и стока от годовых сумм осадков в радиационного баланса. Указанная связь имеет статистический характер, справедлива для условий большого осреднения в пространстве и времени.

В основе каждого уравнения связи лежит определенный процесс – испарение, вынос вещества со стоком или с транспирацией, тепловой сток, образование органического вещества и т.д.

Первостепенную роль играет процесс выноса вещества со стоком зависящий, с одной стороны, от степени увлажнения (атмосферных осадков), а с другой — от прихода вещества в геосистему с совре­менными тектоническими движениями и от физико-химических свойств горных пород.

Связующий характер между балансом веще­ства и водным режимом имеет процесс выноса вещества с транспирацией. Процесс фотосинтеза связывает одновременно уравнения тепло­вого, водного балансов и баланс вещества.

10. Энергетическая продуктивность. Физико-географические факторы фотосинтеза.Основным «строителем» экосистемы выступает сквозной поток энергии Солнца, связываемый зелеными растениями благодаря реакции фотосинтеза и передающийся затем по цепям питания.

Сущность фотосинтеза заключается в превращении растениями, водорослями лучистой энергии солнечного света, поглощаемой флорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами, в химическую энергию разнообразных биополимеров — углеводов, жиров и белков. Носителем этой энергии является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Существенную роль в процессе фотосинтеза играют физико-географические факторы — интенсивность потока солнечной радиации и поток фотосинтетически активной радиации (ФАР), относительная влажность воздуха и запасы продуктивной влаги в почве, температура почвы и воздуха, скорость ветра, положение растения в сообществе, вертикальная структура растительного сооб­щества (архитектура растительного покрова).

При нормальном течении процесса фотосинтеза поверхность хлоропластов поддерживается увлажненной, поскольку углекислота ассимилируется только в виде раствора. Вследствие этого относительная влажность воздуха в межклетниках приближается к 100% и обычно превышает относительную влажность воздуха в атмосфере. Диффузия углекислоты в лист с открытыми устьицами сопровождается поступ­лением водяного пара в противоположном направлении, т.е. транспирацией растений. Таким образом, между поверхностью хлоропластов (листьев) и окружающей атмосферой необходим градиент относи­тельной влажности воздуха. В тех случаях, когда влажность возду­ха в приземном слое равна 100% или близка к этому значению, фото­синтез подавлен.

Влияние ФАР и температуры воздуха на интенсивность фотосин­теза является совместным. Но, как отмечает М.И. Будыко (1971), радиация чаще всего находится в «минимуме», особенно для нижних ярусов растительности, а термический фактор обычно имеет зоны оптимума и «дискомфорта» как при низких, так и очень высоких значениях температуры. Уменьшение облучен­ности ниже 70-80% от полной вызывает существенное уменьшение накопления фитомассы.

Основным фактором, определяющим поглощение ФАР и ее пропуска­ние, является площадь листовой поверхности на единицу поверхности занимаемой земли.

Энергетическая продуктивность обычно пред­ставляется в: ккал/см2 год или ккал/м2 год. Расчет годовой энерге­тической продукции возможен при условии знания энергетических эквивалентов фотосинтеза растений (Валовая первичная продукция,F1;Автотрофное дыхание; Чистая первичная продукция, F2; Гетеротрофное дыхание; Чистая продукция, F; отношение F2/F1, %; отношение F/F1, %.

Чистую продукцию (урожай на корню для агроландшафтов) нельзя отождествлять с продуктивностью сообщества. Агросистемы с интен­сивным развитием, например, поле люцерны, характеризуются высокой валовой первичной продукцией, чистой первичной продукцией, а при защите от консументов (что обеспечивается человеком) — и высокой чистой продукцией. В устойчивых зрелых растительных сообществах (например, тропический дождевой лес) валовая первичная продукция обычно полностью расходуется на автотрофное и гетеротрофное дыха­ние, которые часто трудно отделить одно от другого. В итоге чис­тая продукция нередко близка нулю. В целом, как подчеркивает Одум, природа стремится увеличить валовую, а человек — чистую продукцию.

11. КПД фотосинтеза на локальном и региональном уровнях.Растения в совокупности представляют собой своеобразную машину — преобразователь энергии. Коэффициентом «полезного дейст­вия растений» или кпд фотосинтеза выступает отношение энергии, которая заключена в чистой продукции сообщества (F) или в годо­вом приросте фитомассы, к величине потока фотосинтетически активной радиации (ФАР) за год или к величине годового баланса , или , где η — различные модификации кпд фотосинтеза, R – годовой радиационный баланс.

В 1942 г. английским ученым Л. Линдеманом было введено понятие экологической эффективности. Величина энергии, ассимилируемая на одном трофическом уровне с другого, на порядок ниже, чем на предыдущем. Это закон о пространственно-временных среднестатистических отношениях функционирования отдельных блоков биогеоценозов. В различных био­геоценозах величина передаваемой энергии с одного уровня на дру­гой может составлять от 2-5% до 20-25%.

Один из важнейших показателей массо-энергообмена в геосистемах — транспирационный коэффициент растений, равный отношению прироста веса сухой массы растений к расходу воды на транспирацию за данный промежуток времени. Он имеет обычно величину 1/200 -1/1000, чаще всего транспирационный коэффициент равен у сельско­хозяйственных растений 350-600 г/г сухого вещества; у древесных пород — 200-300 г/г сухого вещества. Чем больше градиент относительной влажности воздуха в слое «атмосфера – поверхность листа», тем больше расход влаги. При влажности 100% фотосинтеза подавлен. Более высокие значения транспирационных коэффициентов травянистых и сельскохозяйственных растений обусловлены тем, что на полях и лугах формируется неблагоприятный микроклимат с более высокими, чем в лесу, скоростями ветра, более сухим воздухом, пониженным содержанием CO₂ в прилистном слое воздуха.

Между скоростью ветра и продуктивностью растительного покрова наблюдается корреляционная связь. Кстати, становятся понятными причины падения урожайности с ростом размера полей в лесостепной и степной зонах (при прочих равных услови­ях): неблагоприятный режим увлажнения и ветра.

Среди показателей интенсивности биоэнергетического круговорота вещества следует отдать предпочтение коэффициенту Кб=П/Оз, где П — запасы органического вещества в подстилке, Оз — органика ежегодного зеленого опада. Другим интегральным показателем интенсивности биоэнергетического круговорота выступает окислительно-восстанови­тельный потенциал. Выделяют пять основных типов интенсивности биоэнергетическо­го круговорота: застойный ( Kб = 20-90) , сильнозаторможенный (5-20), заторможенный (1,6-5), интенсивный (0,3-1,5) и весьма интенсивный (0,1-0,3). На локальном уровне в пределах одного ландшафта Kб может изменяться от 0,3 до 20 и более (лесная зона). ОВП изменяется от 180-200 мВ в застойном типе до 450-600 мВ в весьма интенсивном.

Для определения кпд фотосинтеза конкретных геосистем необходимо знать 3 параметра: энергетические эквиваленты фотосинтеза отдельных растений, ежегодную чистую продукцию и годовой радиационный баланс или ФАР.

Особое значение имеет теплота сгорания растений как экологическая мера. Установлено, что энергетические эквиваленты фотосинтеза растений возрастают в направлении от экватора к северу. Травянистые растения во всех зонах по теплоте сгорания уступают древесным. Кустарники и кустарнички тайги и тундры характеризуются максимальными значениями энергетического эквивалента фотосинтеза среди всех групп наземных растений. У древесных пород прослеживается увеличение теплоты сгорания от древесины, коры и листьев к тон­ким ветвям, плодам и семенам. Энергоемкость фитомассы увеличи­вается с понижением температуры воздуха, т.е. с высоких широт к экватору. Аналогичная закономерность свойственна и географи­ческому распределению белка в растениях. Поэтому связь теплоты сгорания растений с содержанием в них белка есть основной фактор в энергетической гетерогенности растений по природным зонам.

На фоне общих низких значений кпд фотосинтеза по отноше­нию к ФАР, что в целом соответствует зональным характеристикам, отметим достаточно существенные локальные контрасты: кпд усвоения ФАР на лугах (вторичных ПТК) в 2-4 раза меньше, чем в зональных типах растительности, которые к тому же более энерго­емки. Их радиационный баланс на 20% больше баланса луга.

В целом кпд фотосинтеза возрастает от автономных фаций к подчиненным, что можно объяснить большим их увлажнением и геохимической спецификой.

В годовой продукции фитомассы используется до 2-2,5% прихо­дящей ФАР за вегетационный период. Наибольшие коэффициенты исполь­зования солнечной энергии (2,0-2,5%) отмечены в районах максималь­ного годового прироста — на Черноморском побережье Кавказа. Срав­нительно велико (1,2-1,75%) использование ФАР на всей территории европейской части страны, за исключением засушливых областей юга и юго-востока; на азиатской территории страны 1,1-1,4% энергии ФАР используется в центральной части Западной Сибири, на юге Хабаровского и Приморского краев, а на всей остальной территории в годовом приросте фитомассы заключено от 0,4 до 1,0% энергии ФАР. Наиболее низкие значения усвоения ФАР — в пустынях и полупусты­нях Средней Азии (0,1-0,3%), за исключением оазисов и районов поливного земледелия.

Энергетическая эффективность автотрофов суши почти на порядок выше эффективности автотрофов морей и океанов. Лесная растительность как тип деятельного слоя более энергоемка, чем луговая.

12. Энергетические и биоэнергетические характеристики основных типов ландшафта.Наибольшее влияние на биоэнергетику ландшафта оказывает сквозной поток энергии Солнца, связываемый зелеными растениями благодаря реакции фотосинтеза и передающийся затем по цепям пита­ния.

Существенную роль в процессе фотосинтеза играют физико-географические факторы — интенсивность потока солнечной радиации и ФАР, относительная влажность воздуха и запасы продуктивной влаги в почве, температура почвы и воздуха, скорость ветра, положение растения в сообществе, вертикальная структура растительного сооб­щества (архитектура растительного покрова).

Следует различать первичную продуктивность экосистем — скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается продуцентами в про­цессе фотосинтеза, и вторичную — скорость, с которой накапливает­ся энергия на уровне консументов.

Валовая первичная продуктивность — скорость накопления орга­нического вещества, в том числе идущего на дыхание. Эту величину называют еще «общей ассимиляцией». Чистая первичная продуктивность («чистая ассимиляция») — скорость накопления органического вещест­ва за вычетом вещества, идущего на дыхание. Чистая продуктивность сообщества — скорость накопления органического вещества за выче­том вещества, потребленного гетеротрофами. Энергетическая продуктивность обычно пред­ставляется в: ккал/см2 год или ккал/м2 год.

Один из важнейших показателей массо-энергообмена в геосистемах — транспирационный коэффициент растений, равный отношению прироста веса сухой массы растений к расходу воды на транспирацию за данный промежуток времени. Он имеет обычно величину 1/200 -1/1000, чаще всего транспирационный коэффициент равен у сельско­хозяйственных растений 350-600 г/г сухого вещества; у древесных пород — 200-300 г/г сухого вещества.

Среди показателей интенсивности биоэнергетического круговорота вещества следует отдать предпочтение коэффициен­ту Кб=П/Оз, где П — запасы органического вещества в подстилке, Оз — органика ежегодного зеленого опада. Другим интегральным показателем интенсивности биоэнергетического круговорота выступает окислительно-восстанови­тельный потенциал. Выделяют пять основных типов интенсивности биоэнергетическо­го круговорота: застойный ( Kб = 20-90) , сильнозаторможенный (5-20), заторможенный (1,6-5), интенсивный (0,3-1,5) и весь­ма интенсивный (0,1-0,3). На локальном уровне в пределах одного ландшафта Kб может изменяться от 0,3 до 20 и более (лесная зона). ОВП изменяется от 180-200 мВ в застойном типе до 450-600 мВ в весьма интенсивном.

Для определения кпд фотосинтеза конкретных геосистем необходимо знать 3 параметра: энергетические эквиваленты фотосинтеза отдельных растений, ежегодную чистую продукцию и годовой радиационный баланс или ФАР.

Энергоемкость фитомассы увеличи­вается с понижением температуры воздуха, т.е. с высоких широт к экватору. Аналогичная закономерность свойственна и географи­ческому распределению белка в растениях. Поэтому связь теплоты сгорания растений с содержанием в них белка есть основной фактор в энергетической гетерогенности растений по природным зонам

Особое значение имеет теплота сгорания растений как экологическая мера. Установлено, что энергетические эквиваленты фотосинтеза растений возрастают в направлении от экватора к северу. Травянистые растения во всех зонах по теплоте сгорания уступают древесным. Кустарники и кустар­нички тайги и тундры характеризуются максимальными значениями энергетического эквивалента фотосинтеза среди всех групп назем­ных растений. Энергоемкость фитомассы увеличи­вается с понижением температуры воздуха, т.е. с высоких широт к экватору. Аналогичная закономерность свойственна и географи­ческому распределению белка в растениях. Поэтому связь теплоты сгорания растений с содержанием в них белка есть основной фактор в энергетической гетерогенности растений по природным зонам.

На фоне общих низких значений кпд фотосинтеза по отноше­нию к ФАР, что в целом соответствует зональным характеристикам, отметим достаточно существенные локальные контрасты: кпд усвоения ФАР на лугах (вторичных ПТК) в 2-4 раза меньше, чем в зональных типах растительности, которые к тому же более энерго­емки. Их радиационный баланс на 20% больше баланса луга.

В целом кпд фотосинтеза возрастает от автономных фаций к подчиненным, что можно объяснить большим их увлажнением и геохимической спецификой.

В годовой продукции фитомассы используется до 2-2,5% прихо­дящей ФАР за вегетационный период. Наибольшие коэффициенты исполь­зования солнечной энергии (2,0-2,5%) отмечены в районах максималь­ного годового прироста — на Черноморском побережье Кавказа. Срав­нительно велико (1,2-1,75%) использование ФАР на всей территории европейской части страны, за исключением засушливых областей юга и юго-востока; на азиатской территории страны 1,1-1,4% энергии ФАР используется в центральной части Западной Сибири, на юге Хабаровского и Приморского краев, а на всей остальной территории в годовом приросте фитомассы заключено от 0,4 до 1,0% энергии ФАР. Наиболее низкие значения усвоения ФАР — в пустынях и полупусты­нях Средней Азии (0,1-0,3%), за исключением оазисов и районов поливного земледелия.

Энергетическая эффективность автотрофов суши почти на порядок выше эффективности автотрофов морей и океанов. Лесная растительность как тип деятельного слоя более энергоемка, чем луговая.

13. Физическая основа аэрокосмических методов.В аэрокосмическихисследованиях используются в качестве носителей радиозонды и самолеты (до высот 25. 40 км), метеоракеты (до 150 км), спутниковые орбитальные комплексы (выше 150 км над Землей). При этом используют акустические и электромагнитные зондирующие поля.

Учитывая, что скорость движения воз­душных масс у земной поверхности около 1000 км в сутки, для составления прогноза на сутки надо охватить терри­торию с радиусом 1000. 1500 км. Поэтому глобаль­ные наблюдения над атмосферой могут обеспечить аэро­спутниковые системы.

Дальнейший прогресс в познании атмосферных процессов связан с развитием дистанционных неконтактных методов контроля, позволяющих получить требуемое пространствен­ное и временное разрешение при измерении температуры, дав­ления, влажности, загрязнений, скорости и направления ветра.

Идея лазерного (лидарного) зондирования атмосферы со­стоит в следующем. При своем распространении лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается, изменяет свою частоту (эффект Допле­ра, комбинационное рассеивание), форму импульса, состояние поляризации, появляется флюоресценция, что позволяет ка­чественно или количественно судить о тех или иных парамет­рах воздушной среды (давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра, турбулентности, стратификации). Преимущества лазеров по монохроматичности, когерентности, поляризованности и воз­можности изменять спектр излучения создают разнообразие эффектов избирательного контроля отдельных параметров воздушной среды. Без использования дополнительной информации можно при одночастотном зондировании исследовать стратификацию аэрозолей (облака, туманы, дымки, осадки, загрязнения), их пространственно-временную динамику, хотя размеры частиц, концентрация, химический состав аэрозолей при этом не ста­новятся известными.

Область использования этих акустичес­ких и радиоакустических методов контроля атмосферы ограничена сравнительно локальными объемами воздушной среды (при­ближенно до 1 . 2 км в радиусе).

Одной из причин появления отраженного акустического сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, причем коэффициент преломления упругих волн на термических неоднородностях атмосферы на 2—3 порядка больше, чем у электромагнитных волн, что представляет особый интерес для приземного слоя тропосферы.

Принцип радиоакустического зондирования приземного слоя атмосферы заключается в доплеровском измерении скорости акустических колебаний электромагнитными волнами, сраженными от периодических неоднородностей диэлектрической проницаемости воздуха, создаваемых акустическими импульсами.

Аэроисследования геологического строения земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых используют следую­щие методы дистанционной ин­дикации: фотосъемка, магнит­ные способы, гамма-съемка, гра­витационная разведка, электро­разведка, радиолокация. Экологиче­ский интерес к этим методам особен­но проявляется при проектировании топливно-энергетических комплек­сов, изысканиях железнодорожных трасс, выборе мест заложения пло­тин, электростанций, проектирова­нии трубопроводов, каналов, тонне­лей и др. В настоящее время аэрогеофизические ме­тоды являются серьезным инструментом проведения достовер­ных, широкомасштабных научных исследований и народно­хозяйственных мероприятий.

В связи с интенсификацией сельскохозяйственного сектора экономики получают практическое развитие аэрометоды почвенно-растительного контроля.

Существующие экспериментальные неконтактные радиофи­зические средства контроля биолитосферных образований ос­нованы на отражательных свойствах почв, растений и де­ревьев, их излучательной способности, эффектах взаимодействия поверхностных радиоволн с подстилающей средой и др.

В ближнем инфрокрасном спектре отражательно-поглощательные свойства разнообразных почв имеют характерные экстремумы при вариациях влажности, комковатости почв, содержания хлорофилла в растительных объектах, хотя общий ход этих частотных зависимостей имеет приближенно одинаковые за­кономерности.

Для почвенно-растительного покрова в видимом спектре используют различные оптические характеристики: альбедо — величина, определяемая отношением суммы потоков излуче­ния, отраженного от исследуемой поверхности и вышедшего из ее толщи к потоку падающего (солнечного или искусствен­ного происхождения) излучения; коэффициент спектральной яркости — отношение яркости излучения, вышедшего из тол­щи поверхности, к яркости эталонного рассеивателя, освещен­ного солнцем и светом небосвода; взаимоотносительные спек­тральные отражательные характеристики.

Наиболее изученными дистанци­онными неконтактными методами контроля температуры воды яв­ляются измерения термополей по их отражательной или излучательной способности по отношению к электромагнитным волнам светово­го, инфракрасного и СВЧ-диапазонов. Вариации температуры в пределах 10. 50°С изменяют коэффициент отражения оптических волн менее чем на 5%. Ощутимым источником термического состояния воды является сама вода. Ее «пассивная» генерация широко­спектрального диапазона электромагнитных волн позволяет, в частности, интерпретировать принимаемую мощность (так называемую радиояркостную температуру) в температуру воды.

14. Физико-географические ландшафтно-геофизические модели геосистем.Моделирование как способ познания для физической географии и ландшафтоведения имеет особое значение, что связано с тремя свойствами моделей: 1) модель изменяет с помощью масштаба размеры природ­ных систем до удобной величины; 2) изучение динамики природных процессов наталкивается на трудность: малую скорость протекания многих процессов (эту трудность помогает преодолеть другая харак­теристика моделей — масштаб времени); 3) моделирование позволяет упростить чрезвычайную сложность географических систем, вычленив ограниченное число элементов системы и их связей.

Модели разделяются на несколько групп. Среди них: 1) модели, используемые для изучения пространст­венной структуры геосистем (континуальные и дискретные): 2) модели массопереноса: биогенный перенос на примере простейших балансовых моделей, модели поверхностного смыва, вертикальной миграции в почвах. В зависимости от ранга геосистем модели классифицируются на локальные, региональные, глобальные.

Среди математических методов статистическим мето­дам принадлежит безусловный приоритет применения в физи­ческой географии, особенно после того, как появились пакеты многомерного анализа данных. Статистические методы ис­пользуются для построения моделей и экстраполяции (регрессионный анализ), классификации (кластерный и дискриминантный анализ), выявления скрытой структуры анализируемых данных (кластерный, факторный и компонентный анализ), пла­нирования эксперимента (дисперсионный анализ).

Получили развитие различные динамические модели — начиная от простых балансовых и заканчивая моделями, основанными на регрессионных зависимостях или дифференциальных уравнениях. Необходимо отметить, что модели процессов массоэнергообмена на уровне отдельных элементов геосистемы создаются прежде всего различными отраслевыми дисцип­линами (физика почв, геоморфология, гидрология и т.д.). Что касается ландшафтного моделирования, оно заимствует кон­кретные модели, разработанные в этих дисциплинах (миграция в почвах, поверхностный смыв и т.д.) и интегрирует их в обобщенную систему моделирования и анализа ландшафтных структур.

Все большую роль приобретают географические принципы построения моделей, использующие геоинформационную технологию. При традиционном экологическом подходе моделирование выполняется для каждого контура в отдельности, исходя из понимания его как однородного по условиям функционирования среды. Ландшафтный подход исходит из признания реально существующей слож­ности географического пространства, в котором происходят процессы миграции. Поэтому при моделировании миграции ве­ществ на базе ландшафтного подхода главным становится вы­бор в качестве операционных единиц не отдельных конту­ров, а того гетерогенного набора взаимодействующих морфологических частей ландшафта, между которыми про­исходит перераспределение мигрирующих элементов в ре­зультате действия таких факторов, как ветровая и водная эрозия, биогенный перенос, техногенная деятельность. При таком подходе принципиальное значение приобретает изучение не только «функционирования» элементарных природ­ных систем, но и «геометрия» потоков мигрирующих веществ. Такое моделирование возможно только на картографической основе, использующей различные модели организации природных систем.

Важным методом изучения пространственной структу­ры геосистем, служит ландшафтное профилирование. Данный метод позволяет исследовать пространственную структуру путем пересечения наиболее характерных ПТК. В результате профилирования получается пространственный ряд, в котором каждая точка характеризует исследуемые ПТК. Если наблю­дения в одной точке (ПТК) проводятся на протяжении ряда сроков, то говорят о временном ряде. В том случае, если ис­следования на ландшафтном профиле (в нескольких точках) проводятся в течение нескольких сроков, говорят о пространственно-временном ряде.

Для моделирования континуальных явлений широко ис­пользуется метод построения изолиний. К континуальным яв­лениям относятся поля температур, осадков и т.д. Ландшафты характеризуют дискретное распределение географических объектов, при описании которых метод изолиний непригоден. Этим последним обстоятельством объясняется то, что для ха­рактеристики ландшафтной структуры разрабатываются специ­альные методы анализа дискретных объектов (например, ме­тоды анализа рисунка ландшафта), а также различные прин­ципы математической обработки рельефа (методы дифферен­цирования рельефа).

Картографическое моделирование в ГИС включает воз­можности обработки разнородной географической информа­ции (континуальной и дискретной), представляемой в виде различных тематических слоев. При этом используются раз­личные арифметические операции (сложение, умножение). Например, если имеются две разновременные карты загряз­нения одной и той же территории, то путем вычитания одной карты из другой можно оценить динамику поступления загрязнителей за данный промежуток времени.

Задача моделирования полей в географии в математи­ческом плане сводится к задаче интерполяции и экстраполя­ции. На практике вместо непрерывного пространственного изучения параметра ограничиваются регистрацией его факти­ческих значений в ограниченном наборе доступных для наблю­дения точках. Затем по определенным алгоритмам решается задача восстановления значений параметров в произвольных точках географического пространства.

Изучение ландшафтной структуры территории, помимо методов дифференцирования рельефа, может осуществляться различными формализованными методами. Исследование ландшафтной структуры имеет важное прикладное значение Например, устойчивость ландшафтов к антропогенному за­грязнению может быть охарактеризована как способность к самоочищению. Для оценки способности ландшафта к самоочи­щению требуется рассчитать площади ПТК, относящиеся к зоне выноса, транзита и зоне аккумуляции.

В последние годы анализ морфологической структуры ландшафта активно используется для дешифрирования аэро- и космоснимков. поскольку ряд параметров рисунка ландшафта имеют существенное индикационное значение. Под ландшафтным рисунком территории понимается пространст­венная мозаика, образованная ПТК. Ландшафтный рисунок территории характеризует связь ПТК с геолого-геоморфологическими и климатическими условиями, и в этом отношении имеет важное индикационное значение.

Функционирование ПТК может быть изуче­но на основе совокупности моделей, описывающих различные процессы преобразования вещества и энергии.