Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

Информационные связи в ландшафтах прослеживаются как в пространстве, так и во времени. Суть их состоит в передаче территориального и временного упорядоченного разнообразия одним природным компонентом другому компоненту, и наоборот. Таким образом, компоненты как бы стремятся запечатлеть свою пространственно-временную организацию в других компонентах и геосистеме в целом. В отношении пространственной организации очень сильное информационное давление на другие природные компоненты оказывает литогенная основа. Разнообразие горных пород, а главное, неровности рельефа дневной поверхности находят соответствующее отражение в пространственной смене почвенного и растительного покрова, водного режима и микроклимата. Как территориально дифференцирована литогенная основа, так в главных чертах устроен в плане и ландшафт в целом.

Классическим примером информационного влияния рельефа на ландшафт является известное правило предварения В.В. Алехина (1882–1946), известного геоботаника, профессора МГУ. Согласно правилу предварения, на склонах северной экспозиции развивается растительность более северных зон, подзон, а на склонах южной экспозиции – более южных. В лесостепной зоне, например, склоны долин и балок, обращенные на север, как правило, заняты широколиственными лесами, а склоны южной экспозиции – степными ценозами.

Функционирование геосистемы проявляется в совокупности происходящих в ней процессов перемещения, обмена и трансформации энергии и вещества, а также информации. Оно слагается из трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического круговорота, биологического метаболизма и механического перемещения материала под действием силы тяжести. Функционирование имеет квазизамкнутый характер, т. е. форму круговорота с годичным циклом. Неполная замкнутость биологического круговорота (примерно 0,004 % годичной биологической продукции с аккумулированной солнечной энергией резервируется) привела за сотни миллионов лет к накоплению больших запасов свободной биогенной энергии в виде каменного угля, торфа, горючих сланцев и других форм органического вещества и почвенного гумуса. Эти запасы энергии (более 11∙1014 Дж/м2) широко используются че-

11

ловечеством, причем оно за одни сутки расходует столько ископаемого топлива, сколько его откладывалось за 300–350 лет.

Степень замкнутости цикла может сильно варьировать, представляя важную характеристику ландшафта. От интенсивности внутреннего энерго-массобмена зависят многие качества ландшафта, в частности его устойчивость к возмущающим внешним воздействиям. Для количественной оценки функционирования и соотношения между внешним и внутренним вещественно-энергетическим обменом необходимы данные по балансам различных видов вещества и энергии, величины их поступления в систему, внутреннего обмена, трансформации и аккумуляции в системе и потерь за счет выноса во внешнюю среду по выходным каналам.

Геосистема – открытая динамичная система, обладающая гомеостазом и способная к эволюционным изменениям. Совокупность устойчивых отличительных черт системы, придающих ей качественную определенность и специфичность, позволяющих отличить данную систему от всех остальных, выражается понятием инвариант, а способность системы сохранять структуру при воздействии возмущающих факторов или возвращаться в прежнее состояние после нарушения – понятием устойчивость. Межкомпонентные связи геосистемы (ландшафта) не являются абсолютно жесткими и носят вероятностный характер, т. е. природные компоненты обладают некоторой степенью свободы. Благодаря этому, ландшафт может более или менее пластично реагировать на возмущающие импульсы внешней среды. До определенных пороговых нагрузок он способен оставаться относительно устойчивым.

Динамические процессы в геосистеме могут быть обратимыми и необратимыми (эволюционными). Обратимые изменения (динамика) не приводят к перестройке структуры геосистемы. Направленное (необратимое) изменение геосистемы, приводящее к коренной перестройке ее структуры, т. е. к появлению новой геосистемы, соответствует понятию развитие.

По роли в ландшафте связи разделяются на прямые и обратные, последние – еще на положительные и отрицательные.

12

Для прямой (односторонней) связи характерно однонаправленное влияние отдельного тела (А) на другое (Б): А→Б. К прямым связям относится влияние солнечной энергии на Землю (обратным влиянием можно пренебречь), почвенных процессов на формирование коры выветривания, грунтовых вод на питание рек, отработки месторождений полезных ископаемых на потребление элементов в промышленности и т.п. Прямая связь чрезвычайно характерна для ландшафтов. Во многих их типах она имеет ведущее значение.

Обратные связи выражаются во взаимодействии тел, когда не только А влияет на Б, но и Б на А: А←→Б. Они также очень характерны для ландшафтов. К ним относится взаимодействие почва – растительность, растение – животное, промышленность – сельское хозяйство и т. д. Обратная связь является положительной, когда результат процесса усиливает его. Система развивается и все дальше и дальше уходит от исходного состояния (засоление почв,зарастание озер).

При отрицательной обратной связи результаты процесса ослабляют его действие и способствуют стабилизации системы, восстановлению ее исходного состояния. Так, увеличение растительной массы в ландшафте приводит к увеличению продуктов разложения растительных остатков – гумусовых кислот, которые, промывая почву, выщелачивают из нее питательные вещества, ухудшая тем самым условия жизни растений. Это способствует уменьшению растительной массы.

Благодаря обратной связи в ландшафте наблюдается саморегулирование: всякое отклонение от устойчивого стационарного состояния вызывает изменения, уменьшающие это отклонение.

Контрольные вопросы

1.Понятие о ландшафте и его структурных подразделениях – фациях, урочищах, местностях.

2.Геосистема и ее главные свойства.

3.Представления о механизмах функционировании геосистем.

4.Временные аспекты природно-территориальных комплексов. Понятие о стексах.

5.Роль прямых и обратных связей в ландшафтах.

6.Саморегуляция и устойчивость ландшафта.

13

РАЗДЕЛ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕОСИСТЕМ

ТЕМА 3. Геофизические поля Земли

1.Тепловое, гравитационное, магнитное, электрическое поля Земли.

2.Влияние геофизических полей на земные процессы.

Функционирование геосистем протекает на фоне геофизических полей, среди которых различают тепловое, гравитационное, магнитное, электрическое поля.

Тепловое поле Земли формируется под влиянием тепла Солнца и внутренней энергии планеты. Средняя температура земной поверхно-

сти +14,8 С. Она ориентировочно на 99,5 % определяется потоком солнечного излучения и на 0,5 % – потоком тепла, поступающего из глубинных земных недр. На поверхности солнечная энергия превышает внутреннюю энергию в 5 тысяч раз, однако она проникает лишь до глубины 20–30 м, а местами на первые метры (сезонное протаивание в областях вечной мерзлоты варьирует от 0,5 до 3–4 м). Начиная с таких глубин, называемых поверхностью постоянных температур, изменение температуры в годовом цикле отсутствует.

Поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную энергию и атмосферную радиацию и отдает излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и почвы, называется деятельной поверхностью. Ниже зоны постоянных температур наблюдается их постепенное повышение, связанное с внутренним тепловым потоком. Средние величины повышения температуры с глубиной отражены в понятиях гео-

термический градиент и геотермическая ступень. Первый показывает прирост температуры на каждые 100 метров (в среднем 3 С), второй –

интервал глубины в метрах, на котором температура повышается на 1 С (в среднем 33 м). Внутри ядра Земли температура достигает 4–6 тыс. градусов.

Тепловой режим поверхности Земли, закономерности промерзания и протаивания оказывают огромное влияние на условия жизни организмов, развитие почв, динамику гидросферы и приземных воздушных масс, а также на все виды хозяйственной деятельности человека.

14

Гравитационное поле Земли связано с тем, что благодаря большой массе, оно обладает силой тяжести. В каждой точке величина гравитации является равнодействующей двух постоянных сил – притяжения и центробежной силы. Единица измерения гравитационного поля – Гал (ускорение силы тяжести 1 см/с2). Средние значения силы тяжести равны 981 Гал. К экватору центробежные силы нарастают, и значение силы тяжести уменьшается примерно на 5,2 Гал по сравнению с полюсами.

Гравитация оказывает огромное влияние на развитие внешних оболочек Земли. С ней связано явление изостазии, или вертикальное перемещение структур земной коры при выравнивании давлений, а также круговорот вещества в литосфере, гидросфере и атмосфере, большая часть экзогенных процессов на поверхности Земли. В сочетании с другими факторами (выветривание, эрозия и др.) гравитационные процессы служат причиной лавин, осыпей, обвалов, оползней, медленных течений грунтов в областях распространения многолетнемерзлых горных пород и др.

Магнитное поле Земли связано со способностью горных пород к намагничиванию. Постоянное магнитное поле образовано магнетизмом самой планеты и генерируется ее уплотненным ядром, а переменное связано с магнитосферой – самой внешней и протяженной оболочкой Земли. Магнитное поле Земли асимметрично, вытянуто в направлении от Солнца. На дневной стороне Земли магнитные силовые линии сжаты, сплюснуты, а на ночной – разрежены. Соответственно, граница магнитного поля на освещенной стороне расположена на расстоянии 70–80 тыс. км, а магнитный шлейф планеты на противоположной стороне превышает 5 млн. км.

Такая асимметрия – результат воздействия «солнечного ветра» – потока частиц высокой энергии: электронов, протонов, ионов водорода и гелия. На границе с атмосферой существует радиационный пояс – зона заряженных частиц, влияющая на вещественный обмен Земли с Космосом. Изменения магнитного поля Земли часто происходят внезапно, импульсивно, поэтому по отношению к ним используют термин «магнитные бури». Изменчивость магнитного состояния Земли обнаруживает отчетливую связь с колебаниями солнечной активности, с периодичностью пятнообразования на Солнце, характеризуемого числами Вольфа. С бурями на Солнце и в магнитосфере связана изменчивость многих явлений на Земле – ультрафиолетовая радиация, атмо-

15

сферные процессы. Изменения климата коррелируются с одиннадцатилетними вариациями магнитного поля.

Магнитосфера Земли является защитой всего живого от губительного воздействия солнечного ветра. Магнитное поле несет также информационную составляющую, используемую животными при ориентации в пространстве. Существует гипотеза о коррелятивной связи между солнечной активностью и жизненными процессами на Земле (вспышки численности и массовые миграции животных, эпидемии болезней и др.). Об этом увлекательно рассказывается в книге А.Л. Чижевского «Земное эхо солнечных бурь».

Электрическое поле Земли обусловлено существованием положительного потенциала в верхних слоях атмосферы и отрицательного в поверхностных слоях Земли. Наличие в атмосфере Земли электрического поля связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Одними из основных генераторов электрического поля считаются осадки и облака. В зонах высокой напряженности поля могут зарождаться молнии.

Разность потенциалов, или напряженность электрического поля, минимальны на полюсах и экваторе и максимальны в средних широтах. Изменения электрического поля зависит от ряда условий. Оно напряженнее зимой, чем летом, достигает максимума в вечерние часы, а также при осадках и грозах. На разность потенциалов оказывает влияние и электропроводность горных пород, на чем основана электроразведка и изучение инженерно-геологических свойств поверхностных отложений.

Контрольные вопросы

1.ИсточникиформированиятепловогополяЗемли,ихсоотношение.

2.Понятияогеотермическомградиентеигеотермическойступени.

3.Гравитация, формы проявления ее влияния на развитие внешних оболочек Земли.

4.Природа магнитного поля Земли, его роль в защите от солнечного

ветра.

5.Природа электрического поля Земли.

16

ТЕМА 4. Вещество и энергия. Начала термодинамики. Основные источники энергии природных процессов в ландшафте

1.Понятиеовеществеиэнергии.Мераэнергии.

2.Началатермодинамики.

3.Источники энергии и процессы функционирования геосистем.

Суть химических реакций состоит не только в перегруппировке атомов: они сопровождаются поглощением и выделением энергии. Понимание сути вопроса требует выяснения разницы между веществом и энергией. Вещество занимает пространство и имеет массу, т. е. может быть взвешено в условиях тяготения. Различают твердые, жидкие и газообразные вещества. Мельчайшие единицы вещества – элементарные частицы, из которых состоят атомы. Наиболее обычные формы энергии

– свет и другие виды излучения, тепло, движение и электричество.

Они не занимают определенного пространства и не обладают массой. В то же время и свет, и тепло, и другие формы энергии вполне реальны. Они действуют, т. е. влияют на вещество, вызывая изменение в его размещении или состоянии. Таким образом, определение энергии включает в себя некое действие, или работу. Энергия (от греч. energy – дейст-

вие, деятельность)– способность совершать работу.

Различают две категории энергии – кинетическую (энергию движения) и потенциальную (энергию покоя, «запасенную»). Кинетическая энергия обусловлена непосредственным действием или движением. Световая, тепловая, электрическая энергия или энергия механического движения – все это различные ее формы. С другой стороны, потенциальная энергия как бы запасается системой. Если есть такая энергия, значит, есть и возможность, т. е. потенциал реализовать ее в одной или нескольких формах кинетической энергии. Здесь приемлема аналогия с натянутой резиной, позволяющей выстрелить камушкомиз рогатки. Путей перехода одной формы энергии в другую бесчисленное множество.

Мера энергии. Поскольку энергия не обладает массой и не занимает пространства, ее нельзя измерить единицами веса и объема. Однако любую форму энергии можно превратить в тепло и измерить тепловыми единицами. В качестве единицы измерения количества теплоты в Международной системе СИ используется джоуль (Дж). Также имеет хождение внесистемная единица «калория» (отлат. calor – тепло). Калория–

количество тепла, потребное для нагрева 1 г воды на 1 и эквивалентное

4,19 Дж. 1 Дж = 0,2388 кал.

17

Первое начало термодинамики. При переходах энергии из одной формы в другую количество ее остается неизменным. Это считается еще одним законом природы, а именно первым началом термодинами-

ки: энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второе начало термодинамики. Обязательным следствием взаимопереходов энергии является потеря части энергии в виде тепла, которое уходит в более холодную окружающую среду. Таким образом, какими бы путями не переходила энергия из одной формы в другую, часть ее (та, что превращается в тепло) системой теряется. Это еще один закон природы – второе начало термодинамики: при любых пре-

вращениях энергии часть ее теряется в виде тепла. Эффективность,

или коэффициент полезного действия (КПД), большинства энергетических превращений меньше 50 %. Во многих из них КПД составляет всего лишь 1–10 %. Остальные 90–99 % исходной энергии в процессе ее превращения теряются в виде тепла.

По этой причине для функционирования любой системы требует-

ся приток энергии извне. Законы термодинамики не препятствуют запасанию потенциальной энергии в отдельных компонентах системы. Однако при этом количество использованной кинетической энергии всегда больше количества запасенной потенциальной, поскольку часть ее будет потеряна.

Основные процессы, лежащие в основе функционирования ПТК,

следующие: 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.

Лучистая энергия Солнца – важнейший энергетический источник для функционирования геосистем. Обеспеченность солнечной радиацией, ее способность превращаться в тепловую, химическую или механическую энергию определяет интенсивность функционирования геосистем. Трансформация солнечной (электромагнитной) энергии, т. е. ее преобразование – важнейший процесс в ПТК. Он включает в себя не только радиационный и тепловой баланс, но и преобразование солнечной энергии в биогенном и других компонентах ПТК. Основной геофизический эффект этой трансформации – создание в ПТК специфичных температурных полей, полей влажности воздуха, скорости ветра и др.

18

Природа солнечной радиации. Солнце – ближайшая к Земле звезда, состоящая в основном из ядер атомов водорода. В его недрах при сверхвысоких температурах ядра сталкиваются друг с другом, развивая при этом скорость, достаточную для того, чтобы произошло их слияние. За несколько этапов из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. В результате этой термоядерной реакции выделяется достаточное количество энергии, чтобы поддерживать постоянно идущие процессы слияния ядер, а кроме того, громадное количество лучистой энергии, рассеиваемой в космическое пространство. При этом Солнце ежесекундно теряет около 4 млн. тонн своего вещества. Это происходит вопреки одной из старейших и фундаментальных концепций химии– закона сохранения массы, согласно которому масса не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Из уравнения Е = mc2 (Е – энергия; m – масса; c – константа, равная скорости света), принесшего славу А. Эйнштейну, следует, что при определенных экстремальных и необычных условиях (как на Солнце) масса преобразуется в энергию.

ИзлучениеСолнца– солнечная радиация– имеет электромагнитную и корпускулярную природу. Слово «радиация» в данном случае не означает ионизирующего излучения,апроисходитотлатинскогоradiation– сияние. Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в ее общую интенсивность, по сравнению с электромагнитной, невелик. Поэтому термин «солнечная радиация» обычно используют в узком смысле, имея в виду только электромагнитную часть. 99 % всей энергии солнечной радиации приходится на интервал длин волн 0,1–4 мкм, и всего 1 % остается на радиацию с меньшими и большими длинами (рентгеновские лучи и радиоволны). Видимый свет занимает узкий интервал длин волн – от 0,40 до 0,75 мкм, однако на него приходится почти половина всей лучистой энергии (46 %). Почти столько же (47 %) приходится и на инфракрасные лучи с длиной волн 0,76–4 мкм, а остальные 7 % – на ультрафиолетовые с длиной волн 0,20–0,40 мкм. Солнечная радиация передается на Землю посредством излучения, а не через теплопроводность: вкосмическомвакууменетматериальных носителейтепла.

Прежде чем достичь поверхности Земли, поток солнечной радиации под влиянием атмосферы претерпевает изменения в спектральном составе и интенсивности. Коротковолновая часть ультрафиолетовой радиации (короче 0,29 мкм) до земной поверхности не доходит, а средне- и длинноволновые части (бактерицидная и эритемная) доходят ослабленными. Не будь атмосферы, земная поверхность получала бы

19

только прямую радиацию. Но проходя атмосферу, солнечные лучи частично рассеиваются, отклоняются от прямого пути в результате отражения от молекул воздуха, капелек воды, пылинок (аэрозолей), а также от земной поверхности. Отсюда различают радиацию прямую и рассеянную, которые в сумме дают суммарную радиацию.

Солнечные лучи проходят через атмосферу, не нагревая ее: атмосфера нагревается от тепла земной поверхности. Поверхность Земли нагревается главным образом прямой радиацией, но немалую роль в этом играет и рассеянная, особенно важная в процессе фотосинтеза (рассеянный свет, в отличие от прямых солнечных лучей, может быть поглощен растением почти полностью).

Около половины суммарной радиации составляет фотосинтетически активная радиация (ФАР), которая является основным энергетическим потоком для растений, обеспечивающим фотосинтез. Границами ФАР считают длины 0,40 и 0,70 мкм. ФАР рассчитывается по формуле:

ФАР = 0,40J + 0,62S,

где J – прямая радиация; S – рассеянная радиация.

В географической оболочке лучистая энергия Солнца эквивалентно переходит в тепловую энергию. Поэтому энергия солнечной радиации измеряется по ее тепловому действию и чаще выражается в тепловых единицах – калориях и джоулях за определенное время на единицу площади, а также в единицах мощности – ваттах. Интенсивность солнечной радиации за пределами атмосферы, приходящаяся на площадь в 1 см2, перпендикулярную к солнечным лучам, мало изменяется, вследствие чего названа солнечной постоянной. Она равна 1,98 кал/(см2∙мин),

или 1382 Дж/(м2∙с), или 1382 Вт/м2.

При прохождении атмосферы интенсивность солнечной радиации постепенно уменьшается в соответствии с законом Бугера – Ламберта, который гласит: ослабление радиации в однородном слое прямо пропорционально первоначальной интенсивности радиации и длине пути, пройденного лучом в этой среде. Максимально возможное количество, которое можно получить при ясном небе на поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, составляет 1000 Вт. Уже при встрече с атмосферой на пути к Земле около 1/3 солнечной радиации тут же отражается обратно в космическое пространство. Из оставшейся 2/3 радиации большая часть поглощается Землей и превращается в тепло. Менее 1 % солнечной энергии, достигающей Земли, преобразуется в химическую

20