75

Из приведенных данных видно, что суммарная радиация быстро возрастает с уменьшением широты. На табл. 4.4 приводится суммарная солнечная радиация за год кал/см2 мин на территории России и стран СНГ. Однако радиация сильно зависит от облачности, поэтому во Владивостоке радиация заметно меньше, чем в Ташкенте, а в Джакарте меньше, чем в Пуне или Гонолулу. На высотах радиация возрастает по сравнению с другими пунктами для той же широты и уменьшается от экваториальных широт к полюсам (рис. 4.1).

Спектральный состав солнечного света. Фотосинтетическая активная радиация (ФАР)

Солнечная радиация представляет собой сложный спектр излучений разных длин волн: ультрафиолетовые (от 300 до 400 ммк), видимые (от 400 до 720 ммк) и невидимые инфракрасные (от 720 до 2600 ммк). Ультрафиолетовые лучи в биологическом отношении активны, но энергия их составляет всего 1-2% энергии других лучей солнечной радиации; в энергетическом балансе доля их участия невелика.

Важнейшей с физиологической точки зрения является видимая часть спектра солнечной радиации в интервале длин волн от 0,38 до 0,71 ммк. Лучи именно такой длины называются фотосинтетически активной радиацией (ФАР), так как поглощаются хлорофиллом и другими пигментами листьев, обеспечивая необходимой энергией фотосинтез и ряд других важных биологических процессов в растениях.

Энергетической основой земледелия служит суммарная солнечная радиация, особенно фотосинтетически активная радиация (ФАР); важное значение для развития растений имеет длина дня в вегетационный период, число часов солнечного сияния. Длина дня летом на северной границе полярного земледелия (65°) 22 ч, в то время как в экваториальных широтах 12 ч. На юге России продолжительность дня летом менее 15 ч. Число часов солнечного сияния за вегетационный период по территории России изменяется от 500 на севере до 2000 на юге.

76

В течение вегетационного периода (при температуре воздуха выше 10°С) приход ФАР в тундре составляет 10-15 ккал/см2, в таежной зоне 20-30 ккал/см2, в лесостепи и степи 35-45 ккал/см2, в полупустынях и пустынях умеренных широт 50-65 ккал/см2, в

Теория фотосинтеза впервые была разработана великим русским физиологом К.А. Тимирязевым (1843-1920). Фотосинтез

– это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органического вещества. Фотосинтез происходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.). Суммарное выражение фотосинтеза можно представить в

Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все зеленые организмы (кроме хемосинтезирующих). Ежегодно, в результате фотосинтеза на земле образуется около 150 млрд. тонн органических веществ, и усваивается 300 млрд. тонн СО2 и выделяется около 200 млрд. тонн свободного кислорода. Благодаря фотосинтетической деятельности на планете возникли первые зеленые организмы в первичной атмосфере Земли, появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции. Энергия фотосинтетически активной части лучей солнечного спектра составляет около 50% общей энергии солнечной радиации. Фотосинтез растений непосредственно зависит от условия освещения. Темновые реакции фотосинтеза и дыхания лимитируют в первую очередь температура и количество углекислого газа.

77

Рис. 4.2. Распределение фотосинтетической активной радиации (ФАР в ккал/см2) на территории России за вегетационный период с температурой воздуха выше 10°С (С.А.Сапожникова).

78

Из внешних факторов, которые определяют развитие растительного покрова: минеральное питание, содержание в воздухе СО2, водный режим, температура и радиация – последняя является наиболее трудно регулируемой. Представление о величине ФАР и её учет имеют большое значение для рационального использования ресурсов зеленого мира и служат одним из основных факторов для получения высоких урожаев. В настоящее время точными экспериментами установлено, что характер поглощения растениями падающей на них ФАР является селективным. Наиболее активно хлорофилл листьев поглощает красно-оранжевые и сине-фиолетовые лучи видимой части спектра. При поглощении этих лучей фотосинтез протекает с наибольшей скоростью.

Исследователями О. Авасте, X. Молдау, К.С. Шифриной, X.Г. Тоомингом и X.И. Нипилиска установлено, что достаточно точно ФАР может быть определена по формулам:

ФAP= CS. S' + 0,6D ,

где Cs – коэффициент, зависящий от географической широты, времени года и от прозрачности атмосферы, S' – прямая радиация, D – рассеянная радиация.

Если известна только суммарная радиация (Q), то по расчету С.И. Сивкова можно считать, что ФАР равна её половине, т.е.

ФАР = ½ (S' +D) или ФАР = 0,5 Q.

Исследования А.А. Ничипорович (1963) показали, что из всей суммы ФАР, за период вегетации растения могут поглощать и использовать для фотосинтеза от 1,5 до 8,0% поглощенной

ФАР.

Использование растениями ФАР может быть выражено коэффициентом Еа. Коэффициент Еa определяется отношением количества энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза или в образованной биомассе урожая Y (ц/га), к количеству поглощенной энергии Za.

Y Ea Za

Биологические и хозяйственные урожаи зерна, зеленой биомассы, клубней и плодов довольно тесно связаны с

79

коэффициентом использования ФАР. Чем полнее растения используют ФАР, тем выше их урожай. При увеличении коэффициентов использования поглощаемой энергии на фотосинтез до 6-8% транспирационные коэффициенты, т.е. расход воды в тоннах на тонну сухой массы урожаев, могут быть снижены до 75-100 вместо обычных для современных посевов 400-600 и выше.

Коэффициент Ea может иметь самые различные значения, вплоть до нулевого или отрицательного в тех случаях, когда интенсивность радиации велика, а возможности для хорошего фотосинтеза отсутствуют (недостаток влаги, вызывающей перегревание и завядание листьев, усиленное дыхание).

Среднесуточное распределение ФАР и температуры воздуха по г.Хабаровску представлено на рисунке 5. Из рисунка следует, что в центральной части Среднеамурской равнины в течение теплого периода наибольшее количество ФАР на земную поверхность поступает в июне.

Наши исследования (Сверлова Л.И., 1980) показали, что между среднесуточными температурами воздуха и суммой фотосинтетически активной радиации (ФАР) за сутки существует тесная связь. Чем выше температура, тем больше ФАР. Эта связь тем теснее, чем континентальнее климат. На побережье, где господствует морской климат, эта связь слабее за счет парникового эффекта, возникающего в результате большой облачности и туманов.

Примером связи среднесуточной температуры воздуха и фотосинтетически активной радиации в умеренном муссонном климате является приведенная информация на рис.4.3.

Динамика сезонного изменения суммы ФАР имеет пульсационный вид с направленной тенденцией увеличения ФАР от апреля к июню и постепенного его уменьшения от июня к сентябрю. За период со второй половины июля до первой половины сентября в южной части Восточной Сибири и Дальнего Востока начинается период муссонных дождей.

Низкие температуры и большая облачность и влажность в конце летнего сезона снижают поступление ФАР на земную поверхность, что ведет к прекращению вегетации сельскохозяйственных культур и созреванию плодов.

80

Рис. 4.3. Среднесуточные значение фотосинтетически активной радиации (ФАР) (1) и температуры воздуха (2) по г.Хабаровску (Л.И. Сверлова, 1980).

4.2. Циркуляционные факторы климата

Атмосферная циркуляция – совокупность основных видов воздушных движений крупного масштаба в пределах нижней атмосферы, посредством которых осуществляется обмен больших масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях между экватором и полюсами. Важнейшими звеньями общей циркуляции атмосферы являются те, которые обусловлены разностью температуры между высокими и низкими широтами, между океанами и континентами (муссоны), перемещения циклонов и антициклонов, посредством которых осуществляется обмен воздуха между широтами.

81

Атмосферная циркуляция в тропосфере определяет погоду и формирование климата на планете. Начальной причиной всех атмосферных движений является неодинаковое нагревание различных частей земной поверхности и соответственных участков атмосферы, что приводит к неоднородности не только температуры, но и давления воздуха в горизонтальном направлении. Разность давлений в точках, расположенных на некоторой одной и той же уровненной поверхности (в частности, на уровне океана), и является непосредственной причиной возникновения воздушных течений. Но если бы на воздушные частицы действовала только сила, возникающая в результате разности давлений (сила барического градиента), то движение их совершалось бы в направлении падения давления подобно стоку воды с более высокого уровня на низкий. Однако этого не наблюдается, так как на движущийся воздух действуют и другие силы, к которым относится отклоняющая сила вращения Земли (кориолисовое ускорение), сила трения и при криволинейном движении центробежная сила.

Одной из простейших схем среди множества других предложенных для описания циркуляции, возникающей в этом случае на однородной поверхности Земли при учете отклоняющего действия вращения Земли, является схема(рис.4.4).

Рис. 4.4. Схема циркуляции для однородной земной поверхности (В.В. Шулейкин).

Из схемы следует, что в каждом полушарии существуют три кольца циркуляции. Первое из них – в тропиках с восходящим движением у экватора и нисходящим около параллели 30°. В нижней части этого кольца имеют место северо-восточные