Шпаргалка по "Геофизика ландшафта"

 

6. Закон квантитативной компенсации в функциях биосферы А.Л.Чижевского

Один из последователей Вернадского А.Л.Чижевский, рассматривая интенсивность и повторяемость эпидемических заболеваний, пришел к выводу о их тесной связи с периодической электромагнитной деятельностью Солнца. Таким образом был установлен закон квантитативной компенсации в функциях боисферы с связи с энергетическими колебаниями в деятельности Солнца: в биосфере постоянно происходит процесс суммирования положительных и отрицательных отклонений определенных явлений-индикаторов во времени и пространства. Явлениями-индикаторами могут выступать не только болезни, но и сток рек, прирост деревьев, фенологические явления. Отклонения обусловлены колебаниями солнечной активности, в особенности в диапазоне рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Закон частично объясняет одну из замечательных функций биосферы - непрерывное поддержание жизни, несмотря на периодичность метеорологических и климатических катостроф.

Закон квантитативной компенсации в своей сущности географический, рассматривающий пространственно-временную изменчивость (колеблемость) функционирования геосистем, причем не только биоты, но и абиогенных компонентов.

 

7. Значение работ А.А.Григорьева и М.И.Будыко и Д.Л.Арманда для развития геофизического направления в географии.

А.А.Григорьев выдвинул представление о географической оболочке Земли как об особой сфере взаимодействия лито-, гидро-, атмо- и биосферы. Одни из первых он внес в географию физический стиль мышления, что выразилось в разработке им балансового метода. Григорьев неоднократно подчеркивал ведущую роль соотношения количества солнечного тепла и атмосферной влаги в формировании природных зон.

Исследования М.И.Будыко по тепловому балансу земной поверхности (1940-50-е гг.) позволили развить концепцию Григорьева о ведущей роли тепла и влаги в интенсивности природных процессов, в первую очередь в интенсивности продукции растений-автотрофов, и связать ее с радиационным индексом сухости для равнинных территорий R/LX (R - радиационный баланс, L - скрытая теплота испарения, Х - осадки). Таким образом, Григорьев и Будыко фактически установили закон географической зональности.

Будыко успешно использовал методы физической климатологии для решения географических и экологических задач, в частности, рассмотрел физико-географические аспекты фотосинтеза, экологических кризисов в конце плейстоцена. Будыко разработал приемы расчета составляющих ТБ по градиентным метеорологическим наблюдениям.

Будыко составил первую карту теплового баланса моря, для чего разработал методику определения солнечной радиации по климатическим данным, а также полевые методы определения радиации и радиационного баланса. Будыко также разработал биофизическую теорию фотосинтеза.

Д.Л.Арманд обосновал оригинальность геофизического направления в ландшафтноведении. Центральное место у Арманда занимает проблема обмена вещество и энергией между живой и неживой природой.

Арманд был одним из основоположников собственно геофизики ландшафта. По инициативе Арманда и И.П.Герасимова были поставлены полевые исследования локальных ПТК - ландшафтов (с 1961 г.). Программа исследований докладывалась на президиуме АН СССР. Изучался поток солнечной радиации, осадки, почвенная влага (приборы - визиметры), поверхностный сток, биологическая продукция. Это были первые в СССР комплексные исследований по геофизике ландшафта.

Арманд заведовал отделением физической географии ИГ АН. Главной задачей Арманд считал изучение энергетики природных процессов, в частности продукционного процесса и разложения, а также факторов. Свои основные идеи Арманд изложил в статье 1964 г., сборнике 1967 г. и книге “Наука о ландшафтах” (1975). В 1950-х гг. Арманд защитил докторскую диссертацию на тему “Физико-географическое обоснование проектирования лесных полос”.

Арманд отрицал географические законы, в частности закон зональности. Он был приверженцем редукционизма - сведения законов, закономерностей какой-либо науки к элементарным законам. Познание явления, согласно редукционистам, начинается с расчленения его на составные части. Однако в геофизике ландшафта изучаются также структура, функционирование и эволюция объекта, для изучения которых нельзя обойтись только элементарными физическими законами. В этом подход Арманда был неправилен.

Арманд ввел в географию различные математические методы, прежде всего методы математической статистики. Вслед за Григорьевым Арманд развивал метод балансов.

 

1960-е гг. - бурное развитие геофизики ландшафтов, связанное с развитием в мире вообще системного подхода, кибернетики (Винер, Шеннон и др.). В 1960-70-е гг. возникло несколько комплексных стационаров, где велись в частности геофизические наблюдения - в Тбилисском университете (Н.И.Беручашвили), Иркутском университете (В.Б.Сочава). В МГУ геофизические вопросы изучались в основном на отраслевых кафедрах (гляциологии, геоморфологии, метеорологии, гидрологии). В 1977-79 гг. проводились исследования теплового баланса под руководством К.Н.Дьяконова (т.е. лектора), потом - комплексные геофизические и геохимические исследования (Дьяконов, И.А.Авессаломова).

Московский институт проблем экологии и эволюции проводит уникальные исследования по биофизике ландшафта (проф. Н.Н.Выгодская). С помощью специальных вышек в лесу исследуется продукционный процесс.

Курс геофизики ландшафтов стал впервые преподаваться в 1969 г. в МГУ, на 4-м курсе геофака. Он был поначалу совмещен с курсом геохимии ландшафтов, читали его Шульгин и Перельман. С 1974 г. геофизическую часть стал читать все тот же Дьяконов. В сер. 1980-х гг. курсы геофизики и геохимии были разделены. С начала 70-х гг. курс геофизики стал читаться во многих университетах СССР. Ю.А.Щербаков (Тверь) издал в 1979 г. первое учебное пособие “Введение в геофизику ландшафтов”.

Новые разделы геофизики ландшафтов, “модные” сейчас: 1) оптика ландшафтов - Ю.С.Точельников - ее появление связано с развитием дистанционных методов - изучаются отражательные способности поверхностей и т. п.; 2) энергетика почвообразования - 1974, акад. Малобуев “Введение в энергетику почвообразования”; 3) с 1980-х гг. развивается изучение радиогеосистем (Харьков) - радиолокационная съемка (можно, например, определить запасы влаги в почве до глубины 30-40 см на незалесенных поверхностях).

Практическое значение геофизики ландшафтов состоит прежде всего в проведение различных мелиораций - изменение неблагоприятных свойств природных комплексов. Это направление получило название “мелиоративная география” (автор учебника - Дьяконов).

 

8. Значение идей Г.Ф.Хильми для геофизики ландшафта

Идею Вернадского об энергетике биосферы развил в середине 1960-х гг. Г.Ф.Хильми (монография “Основы физики биосферы”). Были рассмотрены общие закономерности превращения энергии в биогеоценозах; отмечается роль живого вещества как накопителя свободной энергии; показана роль взаимодействия энергии и информации, осуществляемого в биосфере благодаря способности живого вещества реагировать на сигнальные явления в физико-географической среде.

Хильми понимал информацию как свойство систем отражать внешние сигналы, причем система при этом производит внутреннее преобразование, разрядку свободной энергии, по величине во много раз превосходящей силу воздействия.

Хильми отмечал, что наряду с фундаментальными законами природы в геофизике ландшафта существуют конструктивные законы или законы связей. Существование конструкционных связей является проявлением общих закономерностей организации материи на различные структурные уровни. Хильми говорил, что в геофизике ландшафта главное не столько объяснение географических процессов законами физики, сколько участие в выявлении специфических закономерностей и законов организационного (конструктивного) характера.

 

9. “Энергетический потенциал ландшафта”. Гелиотермическая и геотермическая зоны

 

Внешние источники энергии в ландшафте:

1. Солнце - основной источник внешней энергии. На верхнюю границу атмосферы приходит 8,2 Дж/см²Чмин = 1,952 ккал/см²Чмин. Эта величина носит название солнечной постоянной и обозначается j.
2. Тепловой поток из недр Земли - 0,00038 Дж/см²Чмин, т.е. в 10 тыс. раз меньше.
3. Гравитация.
4. Механическая энергия тектонических движений.
5. Ускорение Кориолиса.

Помимо этих основных внешних сил существует множество производных сил, в основном производных от энергии Солнца:

1. Ветер.
2. Дождь - в разных областях он составляет очень разную долю теплового баланса, особенно велика эта доля в областях интенсивных ливневых осадков, градобития; в Москве - 2%.
3. Конденсация влаги.
4. Энергия рельефа (сток, оползни) - производная от гравитационной энергии.
5. Фотосинтез.
6. Гумус - производная от энергии фотосинтеза и, следовательно, от солнечной, а также от энергии химических связей.
7. Внутренняя энергия вещества - энергия химических связей, поверхностное натяжение, силы трения.

 

Во всех ландшафтах можно выделить две зоны:

1. Гелиотермическая зона - в ней вся энергетическая и термическая ритмика обусловлена Солнцем, приходом солнечной радиации.
2. Геотермическая зона - температурный режим определяется потоком из земных недр.

В Москве граница между этими двумя зонами проходит на глубине 20 м, ниже температура постоянна и равна +4,2°С. В Якутске граница проходит на глубине 10 м, глубже нее температура +2°С. Вертикальное распределение температуры в геотермической зоне характеризуется геотермическим градиентом и геотермической ступенью. В Москве градиент равен 2,6°С/100 м, ступень равна 1°С/38,5 м. В Санкт-Петербурге градиент равен 5,5°С/100 м, ступень 1°С/19,6 м. Эти различия представляют собой проявления термической зональности (термической провинциальности). Факторы, определяющие термическую зональность:

1. Теплопроводность горных пород. Коэффициент теплопроводности обозначается l. Теплопроводность горных пород - количество теплоты, которое проходит через единицу площади и за единицу времени при соблюдении градиента температуры 1К/см. Таким образом l измеряется в Дж/сЧмЧК или Вт/мЧК. Для осадочных пород l = 1,25 - они прогреваются достаточно быстро, для дерева - 1,14; для торфа - 0,1 - он очень медленно прогревается.
2. Тектонические условия. Так, например, в зоне разломов особые термические условия.

 

10. Земля в Солнечной системе. Солнечная постоянная. Колебания солнечной активности. Числа Вольфа. Спектральный состав солнечной радиации.

Основным источником энергетических процессов на Земле является Солнце. В нем сосредоточено 99% энергии солнечной системы. В потоке солнечной энергии 81% составляет световая энергия, 18% - тепловая энергия, 1% - ультрафиолетовая энергия.

На верхнюю границу атмосферы приходит 8,2 Дж/см²Чмин = 1,952 ккал/см²Чмин. Эта величина носит название солнечной постоянной и обозначается j.

Скорость вращения Солнца 2 км/с, период вращения - 27,3 земных суток. Угловая и линейная скорость вращения Солнца, в отличие от скорости вращения Земли, неодинакова в различных частях Солнца. Солнце будет оставаться неизменным еще 10¹¹ лет.

Внутренняя оболочка Солнца называется фотосфера, ее мощность 400 км. Следующая оболочка - хромосфера (до 30 тыс. км), внешняя оболочка - солнечная корона. Температура фотосферы равна 5700К, температура солнечной короны - 1 млн К.

Солнце - переменная звезда. На Солнце идут процессы распада и конвективные вихревые движения, поэтому поверхность очень непостоянна. На поверхности видны темные и светлые биполярные пятна, полярность Солнца может меняться с периодами 11, 32, 80 лет. Часто с поверхности фотосферы случаются выбросы энергии на высоту до 3 тыс. км длительностью 1-15 мин - спигулы. Поверхность фотосферы и хромосферы гранулирована, т. е. не ровная.

Интенсивность солнечного излучения различна в разных областях спектра. Выделяют следующие области спектра:

1. 1-100 Ї - рентгеновское излучение;
2. 0,1-0,39 мкм - ультрафиолетовое излучение;
3. 0,39-0,76 - видимый диапазон. ФАР (фотосинтетически активная радиация находится в диапазоне 0,38-0,71 мкм);
4. 0,76-4 мкм - инфракрасное излучение;
5. 4-120 мкм - длинноволновое излучение.

Энергия солнечной радиации в различных частях спектра неодинакова. По закону Вина, длина волны, на которую приходится максимум лучистой энергии, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучателя. Максимум радиационной энергии наблюдается в интервале длин волн от 0,3 до 2,0 мкм (часть УФ, видимый, и часть близкого ИК диапазона).

Изменчивость неодинакова в разных областях спектра. Максимальна она в рентгеновской и ультрафиолетовой зонах, т.е. в этих зонах больше всего вспышек и т. д. В 11-летнем цикле в зоне 0-8 Ї изменчивость достигает 30 раз, в зоне 8-20 Ї - 10 раз, в зоне 44-60 Ї - 3 раза, в районе 0,2 мкм - 1,4 раз. Поэтому рентгеновская и ультрафиолетовая зоны спектра наиболее губительны для живого веществ. Радиация этих длин проникала в биосферу в докембрии, когда не было озонового экрана.

Солнечной активности присуща цикличность, от которой во многом зависят процессы на Земле. Циркуляция атмосферы может усиливать изменчивость, поэтому общая изменчивость процессов на Земле может быть больше, чем изменчивость солнечной радиации.