Теоретични и приложни въпроси на ландшафтознанието, Геофизични методи на изследване в
Геофизичните методи се основават на изследването на баланса на енергията и материята, функциониращи, движещи се и трансформиращи се в рамките на изследвания НТС. Освен това ландшафтната геофизика изучава баланса на енергията и материята в процеса на взаимодействие на геосистеми от всякакъв ранг.
Природният комплекс има специфичен веществен състав. Пет компонента обикновено се считат за основни: скали, вода, въздух, растения и животни. В допълнение, почвите често се наричат шести производен компонент. Като се вземат предвид всички системни взаимодействия, към PTC се добавя седмият компонент - мъртва органична материя или мортмаса. Изолирането на мортмасите е обективно целесъобразно, тъй като те като компонент играят съществена роля във функционирането на ПТК. Мортмасата е елементарна структурна и функционална част от природния комплекс, както и скалите, растителността, въздуха, водните маси и др.
Съответно всеки цялостен природен комплекс включва седем основни компонента. Всеки от компонентите има специфични свойства, които са качествено различни от останалите, което определя разнообразието на PTC. Функционалните характеристики на компонентите на PTC се разкриват в процеса на енергийни взаимодействия, в процеса на трансформация на всяка енергия, чрез взаимодействия помежду си.
Според характера на материалния състав, ролята в НТС, степента на активност на геомасите се делят на класове, типове, родове и видове.
Класовете геомаса се разграничават на базата на агрегатния състав и функционалната роля в PTC. Така въздухът или приземният слой въздух под формата нааеромаса ще действа като сух въздух - смес от газове без водна пара. Водната пара във въздушните маси ехидромаси, докато прахът и различните аерозоли са части или фракции от литомаси.Литомасите са скали и минерали, както и скелетната част на почвите в ландшафта. Почвите от своя страна се класифицират катопедомаси - почвени финоземни и хумусни почви в състава на ландшафта. Водите с различен произход, циркулиращи в PTC, се наричат хидромаси : повърхностни води, подпочвени води, вода в почвите, атмосферна влага и др.
Мъртвите останки от растения и животни, които не участват пряко във функционирането на PTC, се наричат мортмаса. Мортмасата може да се намери в скали, почва и въздух. В допълнение, мортмасите включват различни видове отпадъци: горски, лесостепни и степни.
По-сложно е положението с растенията и животните. Така че, ако сравним растенията като компонент ифитомасата - морфофункционалните части на растителните организми в състава на ландшафта, тогава разликата между тях възниква при по-внимателно разглеждане. Отделните фракции на фитомасата имат различно функционално предназначение. Стволовете, кореновата система и клоните изпълняват транспортно-скелетна функция, листата изпълняват функциите на газообмен, транспирация, фотосинтеза и др. Всяко растение е съставено от различна фитомаса. В същото време една и съща фитомаса може да се наблюдава при различни растения. Така фитомаса от мезофилни листа се срещат в габър, бук, леска и др.
Зоомаси - набор от живи организми, които играят определена роля във функционирането и развитието на природния комплекс. Много активната роля на ровещите животни е известна; не по-малко важна е ролята на бобрите в регулирането на хидрологичния режим в малките потоци; специфична и не по-малко важна е ролята на насекомите опрашители на висшите растения, които играят водеща роля в енергетиката на ландшафта; колко важноролята на бактериите и микроорганизмите за почвите и растенията също е известна: без тях нито един биогеохимичен цикъл няма да бъде затворен и съответно няма да се осъществи процесът на взаимодействие на живата материя с околната среда.
Горните примери помагат не само да се разбере разликата между компонент и геомаса, но и да се отдели концепцията за NTC компонент като естествено образувание, характеризиращо се с преобладаване на която и да е геомаса.
По-долу е дадена таблица за класификация на геомасите, според която се идентифицира принадлежността на една или друга функционална част от елементарния PTC към всеки клас или тип геомаса (Таблица 3).
Класификация на геомасата в елементарен ландшафт
Данни за класификация на класове геомаса
Данни за класификация на видовете геомаси
под формата на сезонен пермафрост
в различни водоеми
листа от едногодишни храсти
листа от многогодишни храсти
листа от иглолистни дървета и храсти (иглички)
листа и стъбла на тревисти растения
листа или зелени издънки на ксерофитни храсти и храсти, които изпълняват функциите си
талофити (водорасли, гъби, лишеи и мъхове)
транспортно-скелетни органи на дървета и храсти
класификацията не е разработена
мъртва дървесина и мъртви, но още не паднали клони
мъртва дървесина и друг скелетен материал върху повърхността на почвата
мъртви, но все още не паднали листа
аморфно органично вещество, несвързано с минералната част на почвата
силикатни и други некарбонатни скали
изветрителните кори и изветрените скали
Посочената структурно-генетична класификация на геомасите показва принадлежността им към определенкомпонент на елементарния PTC. В същото време в ландшафтната наука геомасите се оценяват и по други критерии: по естеството на дейността, по степента на тежест и други характеристики.
Според степента на функционална активност в ПТК геомасите се разделят на следните групи (Таблица 4):
Степента на функционална активност на геомасите при функционирането на ПТК
Практически не участват във функционирането, не се движат и не се променят
Участвайте във функционирането на PTC
Движете се в пространството
промяна в количеството
Не променяйте количеството
Не се движете в пространството
промяна в количеството
Не променяйте количеството
Тази класификация се връща към така наречените три функционални принципа на ландшафта, към три групи компоненти на геосистемата: инертни, подвижни и биотично активни. Мъртва дървесина, постеля, литогенна основа, релеф могат да бъдат инертни; подвижни - водни и въздушни маси; биотично активни - слънчева енергия, водни маси, растителност, дива природа.
Все пак трябва да се отбележи, че тази градация на геомасите е до известна степен условна. Например, релефът може активно да се променя под въздействието на ерозионни процеси. Литогенната основа в тропическите ширини непрекъснато увеличава дебелината на кората на изветряне. Животинският свят, освен биотично активен агент, е не по-малко важен и като мобилен компонент.
В същото време не всяка геомаса се развива в NTC компонент. Примери за това са мортмаса и частично зуомаса. Друга група геомаси се развива в компонент в някои случаи, например хидромаси. И третата група геомаса, която в повечето случаи се реализира в компонента: аеромаса, литомаса, фитомаса ипедомаси. В този случай се разграничават пълни и непълни PTC. Пълни са тези, в които присъстват и четирите компонента: фито-, аеро-, лито- и педомаси. Непълни са тези, в които липсва поне един от компонентите.
Преобразуване на слънчевата енергия. Слънчевата радиация е най-важният и практически единствен източник на енергия за биотата и до голяма степен за геомата в НТС.
Общата картина на движението на слънчевата енергия е обяснена чрез математически изрази и е добре илюстрирана графично. Слънчевата радиация достига до горната граница на NTC под формата на пряка (Cp) и разсеяна слънчева радиация (Cp). Заедно те образуват общата радиация (Cc).
Част от входящата радиация се отразява от растенията, повърхността на почвата и други компоненти на PTC и може да бъде обозначена като Op. Останалата част от радиацията се поглъща в различни пропорции между части от природния комплекс. Тази радиация, която се отразява, се характеризира със стойност, равна на отношението на отразената (R) към стойността на входящата радиация (Cs). Това съотношение се квалифицира като албедо: α = Op/Cs.
Известно е, че теоретично стойностите на α могат да варират от 1 за абсолютно бяла повърхност до 0 за абсолютно черна повърхност, която напълно абсорбира слънчевите лъчи. Най-високите стойности на албедо - 0,90–0,95 могат да се наблюдават в PTC, напълно покрит с чист сух сняг. Ако снегът е замърсен и мокър или изпод него се виждат растения, албедото рязко пада до 0,40-0,50. Стойностите на албедото могат да бъдат високи за PTC с рядка растителност или без нея в леки песъчливи почви, солни кристали и др. За повечето НТС с развита растителност албедото варира в относително малки граници от 0,1 до 0,20-0,25. Тук вертикалната структура е от съществено значение.PTK, особено естеството на растителността. По този начин албедото на горите често е по-малко от това на ливадите и степите. Това се обяснява с условията на поглъщане на потоци слънчева радиация, проникнали в растителната покривка.
Погълнатата радиация, дефинирана като разликата между общата и отразената (Cs - Or), се нарича късовълнов баланс или късовълнова радиация (Rk).
Повърхността на почвата, растенията и други елементи на NTC в резултат на поглъщането на слънчевата радиация (Sp + Cp) стават източници на дълговълнова радиация. Експерименталните данни показват, че излъчването на естествените пейзажи като цяло е доста близко до това на черно тяло при подходяща температура. Съотношението на наблюдаваните стойности на радиация към радиацията на черното тяло в повечето случаи е в диапазона 0,90–1,00. Излъчването се определя съгласно закона на Стефан-Болцман и е равно на σT 4 , където T е абсолютната температура в Келвин, σ е константата на Стефан-Болцман, равна на 8,14×10 -11 cal/cm 2 · min · deg. Основната част от радиацията пада върху дължини на вълните от 5 до 10-30 микрона. Късовълновото лъчение (видимата част от спектъра) има дължина на вълната от 0,40 до 0,75 микрона. Инфрачервено лъчение - повече от 0,75 микрона, ултравиолетово - по-малко от 0,40 микрона.
Водните пари и различни газове, съдържащи се извън PTC в атмосферата, поглъщат дълговълнова радиация и образуват атмосферно насрещно излъчване, насочено към природния комплекс. Увеличава се значително при наличие на облаци. Разликата между естественото излъчване на ландшафта и насрещното излъчване на атмосферата се наричаефективно излъчване на ландшафта или дълговълнов баланс (Rd). Стойността му е няколко пъти по-малка от действителната дълговълнова радиация на PTC, която е равна на Rd, ако в атмосферата нямаше газове, водни пари, аерозоли, прах, т.е. противорадиация.При плътна ниска облачност с висока температура на долната повърхност на облаците ефективната радиация може да бъде равна на нула. Понякога може да приеме отрицателна стойност. В този случай PTC може да получи допълнителна енергия. Ако противорадиацията към ландшафта надвишава радиацията на самия ландшафт, тогава PTC има положителен радиационен баланс, ако обратното, тогава той е отрицателен.
Алгебричната сума на потоците радиационна енергия, влизаща и напускаща ландшафта, се наричарадиационен баланс (P). Радиационният баланс е равен на разликата между късовълновия баланс (Cs - Op) и стойността на дълговълновото ефективно лъчение:
Ефективната радиация средно за цялата повърхност на Земята е много по-малка от погълнатата късовълнова радиация. Този модел е следствие от така наречения парников ефект, т.е. резултат от относително по-голямата прозрачност на атмосферата за късовълнова радиация в сравнение с прозрачността за дълговълнова радиация.
Освен това енергията на радиационния баланс участва във формирането на енергийния баланс на PTC като цяло. Част от тази енергия може да се изразходва за нагряване на атмосферните слоеве, разположени над горната граница на PTC, чрез турбулентен топлообмен. Има и преразпределение на топлината между наземната и подземната част на комплекса, т.е. топлообмен с почвата, в резултат на което почвата може или да се нагрее, или да се охлади.
От съществено значение е консумацията на топлина в PTC за изпаряване на влагата. В този случай обикновено се разграничава консумацията на топлина за физическо изпарение и транспирация. Когато вместо изпаряване на влага в PTC се наблюдава кондензация на водни пари, се подава допълнителна топлина.
Малка като количество, но много важна частслънчевата радиация се изразходва за фотосинтеза (0,5% от Cc или 1,3% от P). По-нататъшното преразпределение на тази енергия се извършва до голяма степен в трансформирана форма, препоръчително е да се разглежда отделно. Обикновено се вземат предвид енергийните разходи за дишането на растенията и животните, за растежа на фитомаса и зоомаса, прехвърлянето на енергия в мъртва органична материя и почва.
Схемата за трансформиране на слънчевата радиация в PTC обхваща почти всички нейни възможни потоци. В зависимост от местоположението в определена природна зона, наличието на общи хидротермални условия, естеството на релефа и подстилащата повърхност, НТЦ имат различна структура на радиационния баланс. През зимата, например, фотосинтезата се прекъсва в умерените и полярните ширини и не винаги се получава транспирация на влага от растенията. От голямо значение за структурата на радиационния баланс са времевите рамки: ден или нощ, зима или лято, сух или влажен сезон, както и ограничението до равнини или планини и др. Следователно изследването на радиацията директно и предимно на място, когато се измерват всички компоненти на радиационния баланс, може да даде ясна картина на движението на слънчевата енергия в даден PTC.
По-долу представяме някои данни за естеството на трансформацията на слънчевата енергия в различни видове PTC (Таблица 5).
Разходи за слънчева енергия за изпарение и турбулентен обмен (Исаченко А.Г., 1991)