2. Основные геофизические процессы

К основным геофизическим процессам (от лат. processum – продвижение) относятся: трансформация солнечной энергии, выпадение и инфильтрация атмосферных осадков, испарение, поверхностный сток, транспирация, минерализация органики, продуцирование органического вещества и др.

Трансформация солнечной энергии в геоэкосистеме представляет собой достаточно сложный геофизический процесс. При этом одним из основных геофизических процессов является фотосинтез. Сущность фотосинтеза заключается в превращении растениями и водорослями лучистой энергии солнечного света, поглощаемой хролофиллом или другими фотосинтетическими пигментами, в химическую энергию разнообразных биополимеров (углеводов, жиров и белков). Процесс фотосинтеза во многом определяется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Для расчета ФАР существует достаточно простая формула: ФАР = 0,43J + 0,57S, где J – прямая, S – рассеянная радиация.

По Н. Ф. Реймерсу (1990) следует различать первую биологическую продуктивность экосистем – биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени, вторичную – биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые всеми консументами на единицу площади за единицу времени, валовую – общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая израсходованную на дыхание растения энергию и летучие биогенные вещества.

3. Метод балансов

Метод балансов (от франц. – balancе) – способ обработки и анализа информации на основе равенства целого сумме частей. Его сущность заключается в сопоставлении количества вещества, энергии и информации поступающих в геоэкосистему (геосистему, экосистему), трансформирующихся в ней и уходящих из нее. В геоэкологии и географии рассматривается несколько балансов.

Радиационный баланс (R) или остаточная радиация, т. е. радиационная энергия, которая непосредственно идет на различные процессы протекающие в геоэкосистемах, рассчитывается по формуле: R = Q (1 – A) – Eэф., где Q – суммарная радиация, А – альбедо, Eэф. – эффективное длинноволновое излучение. Суммарная солнечная радиация представляет собой сумму прямой (J) и рассеянной (S) радиации: Q = J + S. Отражательная способность поверхности геоэкосистемы – альбедо вычисляется по формуле А = D / Q, где D – отраженная коротковолновая радиация. Эффективное длинноволновое излучение представляет разницу теплового излучения земной поверхности (Ез) и теплового излучения атмосферы (Еа): Еэф. = Ез. – Еа.

Для определения составляющих радиационного баланса используются такие приборы как актинометр (применяют для измерения потока прямой радиации на перпендикулярную лучам поверхность), альбедометр (применяют для регистрации суммарной, рассеянной и отраженной радиации), балансометр (применяют для измерения радиационного баланса деятельной поверхности), пергеометр (применяют для определения эффективного излучения).

Тепловой (энергетический) баланс выражает процесс прихода и расхода тепла, получаемого земной поверхностью в результатеего преобразования и перераспределения атмосферой и гидросферой: R = L (E + T) + P + + An + F + Bz – Lc, где R – радиационный баланс, L – скрытая теплота парообразования, Е – расход тепла на физическое испарение, Т – расход тепла на транспирацию, Р – затраты тепла турбулентный обмен с атмосферой, Аn – поток тепла в почву и из почвы, F – затраты тепла на фотосинтез, Вz – тепловой сток по поверхности, Lc – тепло, выделяющиеся при конденсации водяных паров.

Баланс снежного покрова – результат соотношения процессов накопления и убыли снега, обычно положительный в период снегонакопления и отрицательный при снеготаянии при сильных оттепелях. Уравнение баланса снежного покрова имеет следующий вид: Н = Х = (Qn – Qb) + Lέ – R, где Н – масса накопившегося снега, Х – выпавшие твердые атмосферные осадки, Qn – Qb – разность между привносом и выносом метелевого снега, Lέ – итог процессов испарения и конденсации снега, R – водоотдача тающего снега.

Влагооборот представляет собой часть общего круговорота воды в природе, включающая испарение с поверхности Земли, перенос водяного пара, его конденсацтю в атмосфере, образование облаков, выпадение осодков (Реймерс, 1990). Исследование влагооборота связано с изучением водного баланса и водного режима геоэкосистем.

Уравнение водного баланса имеет следующий вид: Х1 + Х2 + r = Sb + Sn + U + E + T + Bx + g + W, Z = Sb + Sn + U, где Х1 – атмосферные осадки в жидкой фазе, Х2 – атмосферные осадки в твердой фазе (снег), r – роса, Sb – поверхностный весенний сток, Sn – внутрипочвенный сток, U – подземный сток, Z – суммарный русловой сток или интегральный сток из замыкающего створа геоэкосистемы (ландшафта), Е – физическое испарение, Т – транспирация, Вх – аккумуляция влаги в годовом приросте биомассы, g – фильтрационный поток воды из геоэкосистемы (ландшафта) и поток глубинных напорных вод в геоэкосистему (ландшафт), W – изменение влагозапасов в почве за некоторый интервал времени.

Для изучения составляющих водного баланса используют экспериментальные данные, полученные на стоковых площадках, организуемых в бассейнах малых рек и ручьев площадью 0,1 – 10,0 км2.

Совокупность процессов поступления, передвижения, изменения состояния и расхода влаги в геоэкосистеме называют ее водным режимом. А. А. Роде (1956) выделил три основных типа водного режима почв: промывной (пермацидный), непромывной (импермацидный) и выпотной.

Биогеохимический цикл (биогеоцикл) – сложный процесс, включающий создание органического вещества из неорганического вещества. Балансовое уравнение для геоэкосистемы речного бассейна имеет следующий вид: Мх + Мр + G = Hn + Hs + Hu + Hp + Hт + Hg, где Мх – приход вещества с атмосферными осадками, Мр – приход вещества с воздушными потоками, Мт – приход вещества из недр земной коры с современными тектоническими движениями, G – приход (вынос) вещества с подземными водами, Hn – вынос вещества с поверхностным стоком, Hs – вынос вещества с внутрипочвенным стоком, Hu – вынос вещества с подземным стоком, Hp – вынос вещества с турбулентным обменом (воздушными массами), Нт – вынос вещества с транспирацией, Нg – гравитационные потоки.

Разработаны методы подсчета балансов неорганических твердых веществ и отдельных их элементов. Практический интерес представляет изучение баланса отдельных химических элементов при анализе химического загрязнения ландшафтов.

Для решения задач по охране окружающей среде представляют интерес не только балансы природного вещества, но и балансы включающие продукты производственной и непроизводственной деятельности людей. Энерго- массообмен геоэкосистем разных порядков изучается на многочисленных геофизических станциях, расположенных в различных природных зонах по всему миру. Балансы в сфере природопользования получили названия «ресурсных циклов».