Геофизические исследования в целях мониторинга
Геофизика – наука о физических явлениях и процессах, протекающих в оболочках Земли. Поскольку геосферы разные по составу, структуре, физическим свойствам, развитию, поэтому выделяют физику атмосферы, физику моря, физику литосферы.
Геофизический подход к изучению природной среды зародился также давно, как и география. Даже в 19 в. география и геофизика не разделялись. Без геофизических методов не могли бы существовать климатология, океанология, гидрология, гляциология, изучающие водные и воздушные массы.
Применение геофизического метода для изучения природно-территориальных комплексов (ПТК) разных уровней организации, то есть сложных динамических систем, способствовало формированию в 30-х годах 20 в. нового научного направления – геофизики ландшафта – раздела ландшафтоведения, занимающегося изучением географических процессов в ПТК с помощью физических методов (А.А. Григорьев, М.И. Будыко, Д.Л. Арманд).
Геофизический метод - вся совокупность приемов изучения физических свойств ПТК и физико-механических аспектов процессов обмена веществом, энергией и информацией. Массо-энергообмен является важнейшей составляющей функционирования ПТК как природных, так и их антропогенных модификаций.
Функционирование ПТК – совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества и информации в нем.
Все процессы, протекающие в ПТК (влагооборот, минеральный обмен и энергообмен) тесно взаимосвязаны. Влагооборт, минеральный обмен и газообмен (как его часть) охватывают все потоки вещества в ПТК (масообмен). Но перемещение, обмен и преобразование вещества сопровождаются поглощением, высвобождением и трансформацией энергии, то есть массообмен тесно связан с энергообменом. Геофизический метод разработан именно для изучения массо-энергообмена. Что касается информации, то это дело будущего.
В разных ПТК массо-энергообмен очень индивидуален. Для его характеристики необходим массовый фактический материал за сравнительно длительный период времени. В 60-х годах 20 в. была создана сеть комплексных физико-географических стационаров в системе Академии Наук. На этих стационарах, оснащенных измерительными комплексами, в течение 25 лет (а некоторые работают и сейчас) изучались разные аспекты функционирования ПТК и их состояний (суточные, сезонные, многолетние). Наблюдения велись, прежде всего, за элементами радиационного и теплового баланса, термическим и водным режимами почв.
В каждом звене функционирования (влагооборот, минеральный обмен и энергообмен) выделяется биотическая и абиотическая составляющие. Биота влияет на все звенья, но больше всего на обмен вещества. Наиболее активной частью минерального обмена является биологический обмен – малый биологический круговорот, который выделяется в самостоятельное звено. Малый биологический круговорот изучают, в основном, на биоценотических стационарах, а на комплексных физико-географических большее внимание уделяется изучению абиотических процессов и горизонтальным связям между ПТК.
Существуют разные подходы к изучению функционирования ПТК:
Во-первых: разные процессы (испарение, эрозия, жидкий сток, почвообразование и др.) изучаются самостоятельно такими отраслевыми науками как гидрология, геоморфология, почвоведение и др. Затем полученные данные объединяются.
Во-вторых: по принципу «черного» ящика. Учитывается суммарная величина всего вещества или энергии, поступающей в ПТК и выходящей из него. При этом теряется сущность и географический смысл, протекающих в природе процессов, для познания которых важен внутренний оборот, от которого зависят многие свойства ПТК, в том числе его устойчивость. Внутренние потоки по своей интенсивности намного превосходят внешние. Отсюда, основным становится принцип «прозрачного» ящика, направленный на изучение внутреннего оборота вещества и энергии в ПТК.
Понять и оценить изменение, перенос и превращение вещества и энергии в природных комплексах позволяет метод балансов. Балансовые уравнения ПТК – средство их физического описания.
Метод балансов относится к разряду количественных методов. Понятие баланса взято из экономики. Там балансом называют два сопоставимых перечня: ценностей, вошедших в данную экономическую систему за отчетный период и вышедших из нее. По аналогии в физической географии баланс – перечень всех видов вещества или энергии за период наблюдений вошедших в ПТК и вышедших из него. Разность между приходной и расходной частями баланса называют сальдо, или балансовой разностью.
Часто, вместо «радиационный баланс имеет положительное сальдо» мы говорим «положительный баланс», то есть вместо разности двух сумм применяем название, относящееся ко всему перечню, от чего надо отказываться.
Положительное и отрицательное сальдо называют значимым, если сальдо равно 0, то – нейтральное.
Первопричиной всех физико-географических процессов является энергия. За счет энергии происходят внутренние обменные процессы, поэтому при геофизических исследованиях важнейшее значение имеет определение радиационного и теплового балансов ПТК. Радиационный баланс ПТК зависит не только от географического положения, облачности и запыленности атмосферы, но и от местных факторов: экспозиции и крутизны склонов, альбедо деятельной поверхности, теплоемкости литогенной основы, поэтому радиационный баланс рядом расположенных элементарных ПТК довольно сильно отличается.
Уравнение радиационного баланса:
R= (Qı + Q¹) (1 - α) – EЭфф , где
Qı - прямая радиация
Q¹ – рассеянная радиация
α - альбедо
EЭфф - эффективное излучение
R – сальдо, то есть поглощенная энергия, или то количество энергии, которое задерживается растительностью и почвой и преобразуется в другие виды энергии, главным образом, в тепловую.
Сальдо радиационного баланса является главной приходной статьей в тепловом балансе.
На что расходуется это тепло?
На турбулентный обмен теплом между подстилающей поверхностью и атмосферой.
На испарение с почвы и транспирацию растений.
На обмен теплом между глубинными и поверхностными слоями почвы.
Особая статья расхода – затраты тепла на биохимическую реакцию фотосинтеза, в результате которой происходит накопление солнечной энергии в растительной массе.
В одном сезоне в ПТК накапливается тепло или теряется. Среднемноголетний
тепловой баланс ПТК нейтрален. За длительный период выявляются годичные
колебания или тренд (вековая тенденция) изменения количества тепла в ПТК.
Комплекс наземных радиационно-теплобалансовых микрометеорологических наблюдений включает актинометрические, градиентные и термометрические измерения. Приборы для измерения элементов радиационного баланса (актинометр, альбедометр, пиранометр и др.) устанавливаются в разных ПТК (например, в степи, на поле пшеницы, в лесу и др.) на высотах 0,5 и 2,0 м, то есть под пологом растительного покрова и над ним.
Для градиентных измерений вертикальных профилей температуры и влажности воздуха, скорости ветра используются термометры, психрометры и анемометры, которые также устанавливают над пологом растительного покрова и под ним на тех же высотах, что и актинометрические приборы.
Термометрические измерения – это измерения температуры почвы на поверхности и на глубинах 5, 10, 15, 20 см и температуры подстилки.
Наблюдения ведутся непрерывно в течение всего вегетационного периода через 2 часа.
В результате получают данные о сезонной динамике элементов радиационного баланса и теплообмена для всего деятельного слоя растительного покрова, о структуре энергетического баланса в разные фенофазы развития растительности. Это позволяет рассмотреть картину формирования фитоклимата - микроклиматического режима в воздушной среде обитания растений.
Результаты измерений записывают в журнал наблюдений, затем подвергают первичной обработке, а затем математической.