Шпаргалка по "Геофизика ландшафта"

Геофизика ландшафта

 

 

Вопросы

1. Предмет и методы геофизики ландшафта. Редукционизм.
2. Системный подход - методологическая основа геофизики ландшафта.
3. Геосистемы с вертикальными и горизонтальными связями. Принцип дополнительности (по В.Н.Солнцеву).
4. Понятие пространства-времени в физической географии.
5. “Предистория” геофизики ландшафта. Работы А.Гумбольдта, А.И.Воейкова, В.М.Дэвиса, В.И.Вернадского.
6. Закон квантитативной компенсации в функциях биосферы А.Л.Чижевского.
7. Значение работ А.А.Григорьева и М.И.Будыко и Д.Л.Арманда для развития геофизического направления в географии.
8. Значение идей Г.Ф.Хильми для геофизики ландшафта.
9. “Энергетический потенциал ландшафта”. Гелиотермическая и геотермическая зоны.
10. Земля в Солнечной системе. Солнечная постоянная. Колебания солнечной активности. Числа Вольфа. Спектральный состав солнечной радиации.
11. Радиационный баланс ПТК. Альбедо.
12. Роль экспозиции и крутизны склона в приходе солнечной радиации.
13. Методы определения составляющих радиационного баланса.
14. Уравнение теплового баланса (ТБ) ПТК.
15. Показатели структуры ТБ. Зональные закономерности структуры ТБ.
16. Структура ТБ в летний полдень в лесной, степной и пустынной зонах.
17. Методы определения испарения в природе.
18. Методы определения составляющих ТБ.
19. Тепловой поток в почву и методы его определения.
20. Уравнение водного баланса геосистем.
21. Типы водного питания и водного режима геосистем.
22. Закономерности прихода атмосферных осадков в геосистемы.
23. Водно-физические свойства почв и грунтов.
24. Понятие структуры водного баланса. Зональные закономерности.
25. Уравнения связи водного и теплового балансов.
26. Причины заболачивания вырубок леса на севере.
27. Баланс вещества в геосистемах.
28. Факторы физико-географической дифференциации и ландшафтная интеграция.
29. Трофическая пирамида.
30. Физико-географические факторы фотосинтеза.
31. Продуктивность. Структура продуктивности.
32. Энергетические эквиваленты фотосинтеза, КПД фотосинтеза.
33. ??? Закономерности распределения КПД фотосинтеза на локальном уровне (на примере Мещеры).
34. Правило Л.Линдемана и его практическое значение.
35. КПД фотосинтеза, транспирационные коэффициенты и возраст дубрав.
36. Детритогенез и его типы.
37. Показатели интенсивности биоэнергетического круговорота веществ.
38. Принципы построения вещественно-энергетических балансовых моделей.
39. Устойчивость геосистем. Надежность.
40. Классификация систем по устойчивости.
41. Изменчивость функционирования геосистем.
42. Понятие информации. Информационные связи.

 

 

1. Предмет и методы геофизики ландшафта. Редукционизм

Геофизика ландшафта - направление в комплексной физической географии, изучающее природно-территориальные комплексы как функционально-целостные объекты, физическую сторону взаимодействия компонентов геосистем, их метаболизм со средой, пространственно-временную организацию материи на уровне ландшафтной сферы Земли. Традиционная задача физической географии - анализ факторов пространственной дифференциации и формирования геосистем (в том числе анализ физических полей) - имеет также географический аспект.

Геофизика ландшафтов имеет физические методы, но географические задачи и проблематику. Она рассматривает природные процессы в аспектах - вещественном, энергетическом и информационном. Ведущий ее метод - балансовый, который обычно используется сопряженно со сравнительным географическим. В настоящее время геофизические методы изучения ландшафтов тесно взаимодействуют с аэрокосмическими. По форме организации экспериментальных работ геофизика ландшафта базируется, прежде всего, на стационарных и полустационарных исследованиях.

ПТК обладают запаса свободной энергии, которая представлена различными видами - химической, механической, тепловой. Как открытые системы они получают энергию из внешней среды. Рассмотрение “судьбы” этой энергии в границах территориально-целостных систем - одна из важнейших задач геофизики ландшафта.

Направления геофизики ландшафта:

1. Изучение физических факторов формирования ландшафтов;
2. Изучение физических свойств ландшафтов;
3. Изучение физического взаимодействия элементов ландшафтов, метаболизма ландшафтов.

 

Основной принцип - редукционизм, т. е. перенос методов одной науки в другую, в данном случае, методов физики в физическую географию. Существуют и специфические методы геофизики ландшафтов, например, балансовый метод.

 

Геометрическая размерность - число измерений геометрической фигуры. Физическая размерность - выражение, показывающее отношение данной величины к первичным физическим величинам (L, t, m). Географическая размерность (В.Б.Сочава) - ранг геосистемы:

• геосферная (Земля);
• планетарная (Восточно-Европейская равнина);
• региональная (Среднерусская возвышенность);
• локальная (несколько кв. км - ландшафт);
• топологическая (холм, балка).

Географические системы, в отличие от большинства физических, многоразмерны. Кроме того, многие величины в географии могут быть постоянными в пространстве, но переменными во времени и наоборот. Все это делает геофизические исследования очень сложными.

Основные величины и единицы измерения:

• энергия - Дж, калл;
• масса - г, кг, ц, т;
• скорость - м/с, км/ч, л/с и др.;
• ускорение - м/с²;
• градиент - быстрота изменения величины в пространстве;
• напряженность потока - л/сЧкм² (m/tЧs).

 

 

2. Системный подход - методологическая основа геофизики ландшафта

Методологическая основа геофизики ландшафтов - системный подход. Система - набор взаимодействующих элементов. Вывод - системой является все. Системы обладают свойствами, которых нет у их элементов (эмерджентность). Примеры эмерджентных свойств геосистем - климат приземного слоя воздуха, свойства почвы, свойства биоценоза. Ключевым моментом всякого системного исследования является целостность системы.

Термин геосистема ввел в обиход В.Б.Сочава (1963). Геосистемы - открытые динамические системы от фации до географической оболочки в целом, генетически и функционально с ней связанные; природные единства, образованные вещественно-энергетическими компонентами. Геосистема -- это пространственно-временная система географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое.

Системообразующий поток - поток, придающий набору элементов черты системы - организованность и функциональную целостность. По системообразующим потока геосистемы делятся на две группы - с преобладанием горизонтальных и с преобладанием вертикальных потоков. Основные вертикальные потоки: гравитационный ток воды, малый бик, миграции почвенных беспозвоночных. Основные горизонтальные потоки - поверхностный и подземный сток, движение ледников, лавин, барханов.

Структура - совокупность устойчивых связей объекта, обусловливающих его целостность. А.Д.Арманд отмечал, что при изучении геосистем важно различать прямые и обратные связи.

 

3. Геосистемы с вертикальными и горизонтальными связями. Принцип дополнительности (по В.Н.Солнцеву)

Интеграционные механизмы геосистем - системообразующие потоки вещества-энергии, обладающие свойством наибольшей активности и устойчивости. Системообразующий поток - поток, придающий набору элементов черты системы - организованность и функциональную целостность.

По системообразующим потока геосистемы делятся на две группы - с преобладанием горизонтальных и с преобладанием вертикальных потоков. Основные вертикальные потоки: гравитационный ток воды, малый бик, миграции почвенных беспозвоночных. Основные горизонтальные потоки - поверхностный и подземный сток, движение ледников, лавин, барханов.

Существует несколько основных моделей геосистем. Геосистема первого рода - фация, характеризуется преобладанием вертикальных поток вещества и энергии. Геосистемами второго рода называются структурные модели строения природной среды на региональном уровне (ландшафт - местности - урочища - подурочища - фации). В основе существования геосистем третьего рода лежит однонаправленный поток вещества и энергии (бассейны рек I-III порядков, ледники, барханы) - системы с горизонтальными связями. Такая система существует там, где находит проявление системообразующий поток.

В.Н.Солнцевым были отмечены два фундаментальных свойства геосистемной структуры - мозаичность и ориентированность. Земной поверхности свойственна мозаичная структура, обусловленная в первую очередь рельефом. Каждый из элементов этой мозаики имеет генетическую целостность. Кроме того, ландшафтной оболочке свойственна ориентированность, зависящая от направления потоков. Ориентированность заключается в упорядоченности отдельных структур, что выступает проявлением действия физических полей (гравитационного и инсоляционного) и наиболее активного потока вещества (системообразующего фактора). Как доказал В.Н.Солнцев (ФГМиГ, 1976), мозаичность более характерна для систем с вертикальными связями, а ориентированность - для систем с горизонтальными связями. Но оба эта свойства являются дополнительными (комплементарными) и проявляются на любом масштабном уровне ПТК.

Позднее К.К.Марков и другие ученые вывели 4 вида цикличности процессов:

1. Синхронные (например, ледники в Европе и Северной Америке);
2. Асинхронные (сток Волги и Миссури);
3. Метахронные (таяние снега в горах в одном ландшафте);
4. Гетерохронные (зависящие от реликтовых структур).

 

4. Понятие пространства-времени в физической географии

Изучение физических основ пространственно-временной организации геосистем - одна из важнейших задач геофизика ландшафта. На протяжении длительного периода времени основное внимание обращалось на развитие хорологической (пространственной) концепции - Кант, Риттер, Геттнер. Наиболее полно разработаны методы пространственного анализа (например, при ландшафтном картографировании). Наибольшего развития пространственный подход достиг в комплексном физико-географическом районировании. В.Н.Солнцев выделил два фундаментальных свойства пространственной структуры геосистем - мозаичность и ориентированность (см. вопрос №3).

Развитие функционально-динамического ландшафтоведения дало импульс для разработки проблемы хроноорганизации природных процессов. К числу важных характеристик геосистем относятся указания ее возраста, минимального, характерного и полного времени. Возраст геосистемы (по Сочаве) - продолжительность существования геосистемы в качестве определенного структурно-динамического типа. В условиях нестабильной внешней среды формируются различные инварианты геосистем, их модификации со своей структурой и режимами функционирования. Их возраст может измеряться всего несколькими десятилетиями. В условиях стабильной внешней среды возраст геосистем может совпадать с возрастом литогенной основы.

Минимальное время - длительного единичного события или элементарного состояния геосистемы. Характерное время (по А.Д.Арманду) - длительность протекания процессы возвращения системы в квазиисходное положение или период одного колебания для колебательных систем. Полное время - совокупность характерных времен, некий период, за который реализуются все существенные состояния объекта в рамках его инвариантности. Фоновое время - совокупность различных инвариантов ПТК.

Стекс - суточный вариант состояние и функционирования геосистемы, связанный с погодными условиями, т.е. определяемый температурой, увлажнением, ветровым режимом и влажностью воздуха и выражающееся в активности основных природных процессов (фотосинтез, инофильтрация, деятельность почвенной фауны и др.). Термин был предложен Н.Л.Беручашвили. Типы стексов соответствуют типам погоды. Их всего 15. Стексы иногда объясняются в более крупные группы. Доказано, что стекс - элементарное ландшафтое время (также как фация - элементарное ландшафтое пространство).

Циклы развития ландшафтов большой длительности (более 100 лет) изучают по спилам деревьев, алювиальным отложениям, методом спорово-пыльцевого анализа. Принципиально иной метод - метод эргодичности, пользуясь которым, зная пространственные закономерности данного явления, можно переносить эти закономерности на временной аспект этого явления.

 

5. “Предистория” геофизики ландшафта. Работы А.Гумбольдта, А.И.Воейкова, В.М.Дэвиса, В.И.Вернадского.

В развитии любой науки существует пять этапов:

1. Описание и классификация;
2. Объяснение механизмов явлений и процессов;
3. Прогноз;
4. Управление;
5. Конструирование объекта с заданными свойствами.

В 17 в. Варрениус впервые указал на тесную связь географии и физики. Но впервые использовал физические методы для объяснения географических явлений А.Гумбольдт (1804). Основателем геофизики ландшафта считается А.И.Воейков (1842-1916), придумавший метод балансов (1880-е гг.).

В 1899 г. американский геоморфолог В.М.Дэвис (1850-1936) разработал теорию географических циклов, в которой ввел анализ природных явлений с системных физических позиций. Он впервые стал изучать географические объекты в развитии, в какой-то мере реализовав идею эргодичности. С помощью своей теории Дейвис создал модель пенепленизации гор, позднее доказав, что скорость ее зависит от гидротермического режима и тектонической активности.

В.И.Вернадский изучал массоэнергообмен (метаболизм) в биосфере, ее организованность и геохимическую энергетику. В 1930-х гг. он обратил внимание на неодинаковое воздействие разных типов солнечной радиации на живые организмы. Энергию, с помощью которой растения осуществляют фотосинтез, он назвал ФАР (фотосинтетически активная радиация). Кроме того, Вернадский заложил основы трофической экологии и доказал, что энтропия в биосфере убывает.