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 (< 10 лет: обвалами, осыпями, оползнями, селями и т. д.); 2) средне-временные (до 1000 лет: фации горных стран); 3) длительновременные (более 1000 лет: изменения поч­венного покрова и растительности).

6. Анализ и синтез временных изменений характеристик ПТК.«Характерное время» – а) длина периода для циклических процессов; б) средняя длина периода для квазипериодических процессов и в) время, необходимое для восстановления состояния квазиравновесия для трендовых процессов.

Выводы, полученные в результате исследования изменения процессов и явлений во времени на физико-географических стационарах.

1. Каждый процесс и явление характеризуются своей временной структурой, которая выражается в различной амплитуде отклонений в разные интервалы времени. В связи с частотой изменения все процессы и явления можно подразделить на три группы:

а) высокочастотные, когда одно колебание совершается за период меньший чем сутки. Например, изменения температуры и влажности воздуха, скорость ветра и т. д.;

б) среднечастотные с одним колебанием и более за период более суток, но менее одного года. Например, динамика зеле­ной фракции фитомассы в течение года, изменение влажности почвы и др.;

в) низкочастотные, сравнительно маломеняющиеся, с одним колебанием за период более одного года. К таким процессам и явлениям относятся, например, динамика древесной фитомассы в лесах, изменение свойств почвы и т. д.

2. Подавляющее большинство параметров, характеризующих структуру и функционирование ПТК, имеют неодинаковую ам­плитуду колебаний в течение различных отрезков времени. От­дельные мелкие флюктуации совершаются на фоне средних и более крупных циклов. Например, минутные изме­нения температуры происходят на фоне часовых, последние — на фоне суточных и т. д. Это приводит к «перепутыванию» час­тот, поэтому не всегда можно определить, к какой частоте при­надлежит каждое из наблюдаемых явлений.

3. При анализе изменения отдельных процессов во времени хорошо выявляется эффект инерционности. Он связан с тем, что многие явления обладают некоторой инерцией. Так, в глубоких слоях почвы максимум температуры может быть сдвинут на осень и даже зиму (рис. 12.8). При этом часто наблюдается постепенное «затухание» колебаний и уменьшение их амплитуды. Например, амплитуда температуры почвы на глубине 160 см меньше, чем на глубине 20 см, и, естественно, меньше, чем на поверхности почвы.

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:

R=(J+S) (1-A)-Eэф., (12.1)

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.

Еэф.=Eз – Еа, (12.2)

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:

R=L(E+T)+P±Aп+F+Bz-LC, (12.3)

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/м². с, или ккал/см². 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

И = О + С, (12.4)

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.