Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

энергию растениями и другими фотосинтезирующими организмами и обеспечивает процессы жизнедеятельности всех прокариот и эукариот, населяющих планету.

Степень поглощения солнечной энергии деятельной поверхностью Земли зависит от ее отражательной способности – альбедо (лат. albedo – белизна). Альбедо – доля или процент отраженной данной поверхностью радиации от радиации, падающей на эту поверхность. Теоретически значения альбедо могут изменяться от 1, или 100 % для абсолютно белой, полностью отражающей поверхности; до 0 – для абсолютно черной поверхности, полностью поглощающей солнечные лучи.

Альбедо свежевыпавшего снега доходит до 95 %, чернозема – всего около 15 %. Сплошной растительный покров отражает от 10 до 20–35 % солнечной радиации. Отражательная способность воды мала (6–10 %). Отражение влажной почвы меньше, чем такой же сухой. Альбедо Земли в целом близко к 40 %, отдача происходит путем отражения солнечной радиации от поверхности Земли и облаков и путем ее рассеяния атмосферой по направлению к мировому пространству.

Кроме солнечной энергии в природе известен еще целый ряд видов энергии,изкоторых вПТКнаибольшеезначениеимеютописанныедалее.

1.Гравитационная энергия. За счет энергии ускорения свободного падения, силы тяжести происходит целый ряд процессов в ПТК: выпадение осадков и их фильтрация в почву; некоторые процессы биогеоцикла (опад и отпад); сток поверхностный и подземный; гравигенные потоки (обвалы, оползни, осыпи).

2.Тепловая энергия – часть энергетического движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды. Особенно интенсивны процессы выделения и поглощения тепловой энергии при пожарах, таянии – замерзании, испарении – конденсации. Тепловая энергия тесно связана

странсформацией солнечной энергии, ее временной аккумуляцией в органическом веществе (в том числе в области былых биосфер) и последующим высвобождением.

3.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. Этот вид энергии всегда

можно свести либо к трансформации солнечной радиации, либо к трансформации гравитационной энергии.

21

4.Электрическая (электродинамическая), электростатическая и магнитостатическая энергия образуют физические поля в ПТК, имеющие, однако, в подавляющем большинстве случаев очень низкие интенсивности.

5.Химическая энергия – энергия систем из двух или более реагирующих между собой веществ. Такая энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов или молекул при хи-

мических реакциях.

Некоторое значение может иметь потенциальная энергия упруго измененного тела (например, прижатые снегом дерево или кустарник) – упругостная энергия, освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

Часто выделяют особый вид энергии – биологическую. Однако биологические процессы обычно рассматриваются как особая группа физико-химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии, что и в других. Вопрос состоит о преобразовании одних видов энергии в другие в биотическом звене.

Как один из видов энергии рассматривается энергия приливов, которая крайне незначительна.

Обзор различных видов энергий в ПТК показывает исключительно важную роль солнечной и гравитационной энергии и их трансформации. Именно они являются первоисточниками того громадного количества процессов функционирования, которые происходят в ПТК. В круговоротах вещества и энергии восходящая ветвь обеспечивается солнечной энергией, а нисходящая ветвь – гравитационной. Отсюда только на основе солнечной энергии с учетом потенциальной энергии силы тяжести можно проследить глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования.

Контрольные вопросы

1.Соотношение понятий вещества и энергии.

2.Законы термодинамики и их значение для понимания явлений природы.

3.Основные источники энергии, лежащие в основе геофизических процессов.

4.Природа солнечной радиации. Спектральный состав солнечного излучения.

5.Понятие о фотосинтетически активной радиации (ФАР).

6.Основные процессы, лежащие в основе функционирования ПТК.

22

ТЕМА 5. Пути и способы энергомассообмена в геосистемах

1.Понятия о теплоте, теплоемкости и теплопередаче.

2.Основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

3.Понятие о массообмене.

Солнечная энергия, частично расходуясь на фотосинтез, в основном превращается в теплоту, которая расходуется на геосистемные процессы.

Теплота – энергия, получаемая или теряемая телом в процессе теплообмена с окружающей средой. Энергия может передаваться отодного телак другому при непосредственном контакте илибесконтактно.

Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к более холодному телу. Он продолжается до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям тела (или телам), что является следствием второго закона термодинамики. В этом процессе теплоемкость выступает как важный фактор нагрева геомасс, а теплопроводность – как не менее важный фактор-распределитель тепла во всей толще геомасс.

Теплоемкость – способность материала при нагревании поглощать теплоту. Теплоемкость разных веществ различна. Эталоном меры теп-

лоемкости других веществ является теплоемкость воды при 16 С. Теплоемкость самой воды до 30 раз больше, чем у других веществ (к при-

меру, количество тепла, потребного для нагрева 1 кг воды на 1 , может

нагреть на 1 8 кг железа или 33 кг ртути). Если принять теплоемкость воды за единицу, то теплоемкости составляющих почву главнейших частей будут: кварца 0,517; известняка 0,582; каолина 0,573; перегноя 0,601. Большей, чем вода, теплоемкостью обладают только водород

иаммиак. Теплоемкость любого вещества зависит от температуры

иагрегатного состояния. В частности, у льда и пара она в два раза ниже, чем у жидкой воды.

Удобной величиной для сравнения теплоемкости веществ является их удельная теплоемкость – количество теплоты, которое требуется затратить, чтобы нагреть один килограмм вещества на один градус по шкале Кельвина (или Цельсия). Физическая размерность этого показа-

23

теля – Дж/(кг∙К) или кал/(кг∙К). Формула расчета удельной теплоемкости: С = Q/(m∆T), где С – удельная теплоемкость; Q – количество теплоты, полученное при нагреве; m – масса нагреваемого вещества; ∆T – разность конечной и начальной температур. Удельная теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг∙К), т. е., чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус, надо затратить 4,2 кДж, которые соответствуют 1 ккал. Удельная теплоемкость воздуха рассчитывается относительно 1 кг массы или 1 м3 объема и составляет 1 кДж/(кг∙К) [0,24 ккал/(кг∙С)] и 1,3 кДж/(м3∙К) соответственно.

Из-за разной теплоемкости нагревание и охлаждение воды, воздуха, горных пород, почвы происходят по-разному. Так, удельная теплоемкость песка равна 0,2 кал/(г∙С), т. е. в 5 раз меньше таковой воды, и именно поэтому при одинаковой температуре вода в водоеме прогревается медленнее, чем песок на берегу. В то же время вода намного дольше, чем песок, сохраняет тепло. Колебания температуры воды никогда не бывают такими резкими, как колебания температуры горных пород.

Теплопередача. Существует три простых (элементарных) вида теп-

лопередачи, или теплообмена: теплопроводность, конвекция и излуче-

ние. Имеются также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных.

Теплопроводность – способность тела передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. В ее основе лежит молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией хаотического движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Иначе – передача энергии от частиц с большей энергией к частицам с меньшей энергией. Если относительное изменение температуры на расстоянии свободного пробега частиц мало, то выполняется основной закон теплопроводности – закон Фурье: плотность теплового потока (количество проходящего тепла)q пропорциональна градиенту темпера-

туры gradT, т. е. q = – gradT ( – коэффициент теплопроводности; знак «минус» показывает, что тепловой поток направлен в сторону скорейшего убывания температуры). Закономерности изменения теплопроводности сводятся к следующему. Теплопроводность возрастает по мере увеличения плотности вещества, так как тепловые колебания легче пе-

24

редаются в более плотном веществе, где отдельные частицы расположены ближе одна к другой. Чем выше пористость, тем ниже теплопроводность. С увеличением влажности теплопроводность резко увеличивается.

Теплопроводность определяется количеством калорий, проходя-

щих в 1 с через площадь в 1 см2 при падении температуры на 1 на протяжении 1 см пути. Таким образом, теплопроводность – это скорость передачи тепла от одной (более нагретой) части к другой (менее нагретой) части тела. Разные тела обладают различной теплопроводностью. Так, теплопроводность воздуха составляет 0,00005, торфа –

0,00027, суглинка – 0,00033, песка – 0,00047, воды – 0,00140 кал/с через

1 см2 вещества. По теплопроводности вода в 28 раз превосходит воздух, являющийся наихудшим проводником тепла.

Теплообмен путем теплопроводности может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Молекулярная теплопроводность имеет место во всех вещественных средах, но более эффективна в твердых телах. Наряду с молекулярной теплопроводностью в воздушной и водной среде играет огромную роль турбулентная теплопроводность, превосходящая по эффективности первую в сотни тысяч раз. Так, коэффициент теплопроводности в сухом воздухе при молекулярной теплопроводности составляет около (5–6)∙10-5 кал/(см∙град∙с). Этот же показатель при турбулентной теплопроводности в 105-106 раз больше.

Турбулентное (от лат. turbulent – беспорядочный, бурный) движение напоминает тепловое движение молекул с той разницей, что беспорядочно движущимися объектами здесь являются не молекулы, а крупные количества жидкости или газа, изменяющиеся в процессе движения, как по форме, так и по массе. Турбулентность в атмосфере – усиливающееся с увеличением скорости ветра вихревое движение небольших объемов воздуха в общем потоке воздуха. Оно происходит вследствие непрерывного движения воздуха, отдельные объемы которого имеют различную скорость. Кроме микротурбулентности, связанной с образованием вихрей масштаба от долей миллиметров и более, атмосфера характеризуется макротурбулетностью, проявляющейся в образовании циклонов и антициклонов. Следствием турбулентного характера движения является вертикальное и горизонтальное перемешивание воздуха в потоке ветра и интенсивный перенос тепла. Таким обра-

зом, турбулентная теплопроводность – теплопроводность в атмосфере или воде, обусловленная турбулентным обменом.

25

Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве неравномерно нагретых объемов среды. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды, т. е. происходит перенос энергии с теплоносителем.

Излучение характеризуется переносом энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Понятие «лучистая энергия» включает энергию электромагнитного излучения температурной радиации Солнца, а также тепловое излучение – излучение нагретых тел, которое свойственно всем телам с температурой выше абсолютного

нуля (0 К, т. е. минус 273 С). Нагретая коротковолновой (0,29–4 мкм) солнечной радиацией земная поверхность сама становится источником излучения, но другого диапазона волн. Поскольку температура земной

поверхности невелика (от –90 до +80 С), излучение поверхности сосредоточено в основном в интервале волн от 4 до 120 мкм (длинноволновое тепловое излучение).

В «чистом» виде (только излучением) теплопередача осуществляется только от Солнца к Земле. Чаще всего способы переноса теплоты осуществляются совместно. Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, поскольку при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих разную температуру. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Массообмен. Многие процессы переноса тепла сопровождаются переносом вещества – массообменом, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называетсятепломассообменом.

Контрольные вопросы

1.Характеристика трех элементарных видов теплопередачи.

2.Молекулярный и турбулентный перенос тепла, их соотношение.

3.Закон теплопроводности Фурье. Факторы, определяющие теплопроводность веществ.

4.Эталон теплопроводности. Сравнение веществ по теплопровод-

ности.

26

ТЕМА 6. Термический режим атмосферы в связи с фазовыми переходами вещества и адиабатическим процессом

1.Понятие о скрытой теплоте парообразования.

2.Нагревание и охлаждение воздуха без теплообмена: адиабатический процесс, его влияние на облик ландшафта.

Теплопередача происходит также «скрытым» путем при фазовых переходах вещества: при плавлении и/или испарении тепло затрачивается и как бы на время исчезает, а при конденсации и затвердевании высвобождается. Солнечная энергия в большинстве мест земной поверхности попадает на воду океанов, континентальных водоемов, влажной почвы и листвы растений. В результате тепловая энергия расходуется, прежде всего, на испарение воды. Количество тепла, затрачиваемое на единицу испаряющейся воды, называется скрытой теплотой парообразования. При конденсации пара теплота парообразования поступает в воздух и нагревает его, играя при этом главную роль. Таким образом, тепло, затраченное на испарение, передается атмосфере при конденсации пара в виде скрытой теплоты парообразования.

Адиабатический процесс. Важнейшая роль в тепловом режиме атмосферы принадлежит адиабатическому процессу. Адиабатическое нагревание и охлаждение воздуха происходит в одной массе (от греч. adiabatic – запертый), без теплообмена с окружающей средой.

В нисходящих токах (при опускании из верхних разреженных слоев тропосферы или же по склонам гор) воздух поступает в более плотные нижние слои. При этом молекулы газа сближаются, их соударения усиливаются, и кинетическая энергия движения молекул переходит в тепловую энергию. В результате воздух нагревается адиабатически, т. е. не получая тепла ни от других воздушных масс, ни от земной поверхности. В связи с нагревом его влагоемкость увеличивается, и такой воздух оказывает иссушающее воздействие. Адиабатическое нагревание воздуха – главная причина образования обширных пустынь в тропическом поясе

барического максимума (около 30 в обоих полушариях).

В восходящих токах воздух адиабатически охлаждается. Из плотной нижней атмосферы он поднимается в разреженную среднюю и верхнюю тропосферу или к вершинам гор. При этом плотность его уменьшается, молекулы одна от другой удаляются, сталкиваются реже, тепловая энергия, полученная воздухом от нагретой поверхности, пе-

27

реходит в кинетическую, тратится на механическую работу и на расширение газа. Таков механизм адиабатического охлаждения воздуха при поднятии. Падение температуры воздуха сопровождается снижением влагоемкости воздуха и выпадением конвективных и орографических осадков.

Различают сухой и влажный адиабатический процесс. Сухой воздух адиабатически охлаждается на 1 °С на 100 м подъема (сухой адиабатический процесс). Однако природный воздух содержит водяной пар, при конденсации которого выделяется тепло (скрытая теплота парообразования). Поэтому температура фактически падает не на 1 °С, а на 0,6°С на 100 м (или на 6 °С на 1 км высоты) (влажный адиабатический процесс).

При опускании и сухой, и влажный воздух нагреваются одинаково, поскольку при этом конденсации влаги не происходит, и скрытая теплота парообразования не выделяется.

Адиабатические процессы в условиях высокогорья, определяя гидротермические условия, обусловливают разнообразие ландшафтного покрова. В такой горной стране, как Кавказ, протянувшиеся поперек движения влажных воздушных течений (в основном это западные переносы), хребты (Андийский, Сурамский хребты, Ставропольская возвышенность и др.) выступают в качестве важных климаторазделов. Адиабатическое охлаждение воздуха при подъеме вверх и переваливании через эти поднятия ведет к перехвату ими влаги (орографические осадки) и произрастанию на наветренных склонах влаголюбивой растительности. Напротив, перевалившие через горные хребты и стекающие вниз по подветренным склонам воздушные массы, испытывая адиабатичекое нагревание, вызывают ксерофитизацию ландшафтов. Конечный результат последовательного перемещения влажных западных ветров через цепи хребтов – влагонасыщенный Западный Кавказ и влагодефицитный Восточный Кавказ.

Контрольные вопросы

1.Скрытая теплота парообразования и ее значение.

2.Адиабатический процесс, его значение в определении облика ландшафта.

3.Причина образования обширных пустынь в тропическом поясе барического максимума.

28

РАЗДЕЛ 3. БАЛАНСОВЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА

Анализ балансовых уравнений геосистем является одним из главных средств их познания. Основное назначение балансового метода – изучение и количественная характеристика динамических явлений, связанных с перемещением вещества и энергии внутри геосистем и между ними в процессе их функционирования. Основными балансами, описывающими процессы функционирования геосистем, являются энергетический (радиационный и тепловой), водный и биогеохимический.

ТЕМА 7. Радиационный баланс земной поверхности

1.Понятие о радиационном балансе (бюджете) земной поверхности

иего составляющих. Уравнение радиационного баланса.

2.Пространственные и временные аспекты радиационного баланса. Факторы, определяющие региональные и локальные особенности радиационного режима геосистем.

3.Радиационный бюджет («временно задержанное тепло») – основа географических и биологических процессов на Земле.

К Земле идет поток энергии (13∙1023 кал/год), образующейся в результате термоядерных реакций, идущих в недрах Солнца. Тот факт, что количество энергии, падающей на Землю ежедневно, эквивалентно примерно миллиону атомных бомб, аналогичных сброшенной на Хиросиму, свидетельствует о невообразимом масштабе этого процесса.

От нагретой коротковолновой солнечной радиацией земной поверхности идет длинноволновое тепловое излучение в интервале длин волн от 4 до 120 мкм. В свою очередь, атмосфера, нагретая земным теплом, имеет собственное длинноволновое излучение в том же диапазоне и излучает тепло, направленное частью в космическое пространство, частью к земной поверхности. Вторая часть атмосферного излучения называется встречным излучением (синоним – противоизлучение атмосферы). Встречное излучение частично компенсирует потерю тепла земной поверхностью, создавая парниковый эффект. Разность между собственным излучением земной поверхности и приходящим к ней из

29

атмосферы встречным излучением называется эффективным излучением (рис. 1). Оно определяет чистую потерю тепла земной поверхностью радиационным путем в отсутствие солнечной радиации.

Рис. 1. Схема земного излучения в кал/см2∙мин

Величина эффективного излучения зависит от ряда следующих ниже факторов.

1.Температура почвы или воды. Чем выше температура почвы или воды, тем больше тепла они теряют излучением. В жаркий летний день

иземля, и вода много своего тепла отдают воздуху, что приводит к повышению его температуры. Теплый воздух дает большой встречный поток. Возрастает и общий уровень эффективного излучения. Ночью, например, когда нагревание почвы и воды прекращается, уменьшается и их излучение. Перед рассветом излучение становится незначительным. Соответственно, понижается и температура воздуха.

2.Влажность воздуха. Водяной пар улавливает длинноволновое излучение и удерживает тепло («водяная рубашка» Земли). Влажная атмосфера посылает к Земле значительный встречный поток, эффективное излучение уменьшается. По этой причине во влажном климате

ипри влажной погоде ночи не бывают так холодны, как в сухую погоду и сухом климате.

30