Шпаргалка по "Геофизика ландшафта"

Наиболее распространенным индексом солнечной активности является число Вольфа:

W = k (10Чg + f),

где W - число Вольфа, g - число групп пятен на видимом солнечном диске, f - число пятен во всех группах, k - коэффициент, зависящий от способа фотографирования Солнца и индивидуальных особенностей наблюдателя.

 

11. Радиационный баланс ПТК. Альбедо

На верхнюю границу атмосферы поступает 250 ккал/см²Чгод. При этом часть сразу же отражается, 126 ккал/см²Чгод поступает к земной поверхности. Из этих 126 ккал/см²Чгод небольшая часть - 18 ккал/см²Чгод отражается от земной поверхности, а оставшиеся 108 ккал/см²Чгод поглощаются землей.

Альбедо - отношение отраженной коротковолновой радиации к суммарной падающей. Среднее альбедо земной поверхности составляет 14%. Из поглощенных 108 ккал/см²Чгод часть является длинноволновой радиацией, в итоге средний радиационный баланс земной поверхности равен 78 ккал/см²Чгод.

Радиационный баланс рассчитывается по формуле:

R = (I + S)(1 - A) - E_эф.

Радиационный баланс R измеряется в ккал/см²Чгод или МДж/см²Чгод. Величина Q = I + S называется суммарной радиацией. Величина E_эф = Е_з - Е_атм (тепловое излучение земной поверхности минус тепловое излучение атмосферы к деятельной поверхности) называется эффективным излучением.

Радиационный баланс записывается для деятельной поверхности, на которой преобразуется поток солнечной энергии.

 

 

12. Роль экспозиции и крутизны склона в приходе солнечной радиации

Величина радиационного баланса конкретного ПТК зависит от следующих факторов:

1. Географическое положение (определяет высоту Солнца);
2. Режим облачности, запыленность;
3. Теплоемкость литогенной основы;
4. Цвет поверхности - определяет альбедо;
5. Экспозиция склона;
6. Крутизна склона.

Комбинация трех последних показателей обуславливает различия значений РБ разных ПТК до 200%.

Альбедо стандартных поверхностей при высоте Солнца более 30°:

1. чернозем - 4-5%;
2. вода - 6%;
3. темнохвойный лес - 12%;
4. светлохвойный лес - 16-18%;
5. пойменный луг - 21-22%;
6. суходольный луг - 23-25%;
7. цветущий луг - 27-33%.

Чем меньше значение альбедо, тем больше вклад данной поверхности в общий радиационный баланс ПТК.

Радиационный баланс стандартной поверхности в данное время дня и года определяется по номограмме (графике с тремя величинами). На номограмме откладывают стороны света в виде основных румбов и крутизну склона в виде концентрических окружностей с центром в точке с крутизной = 0, шаг в 5°. На этом поле располагаются кривые значений радиационного баланса.

 

 

 

 

 

Количество радиации, получаемой разными ПТК в итоге может различаться в 1,5-1,8 раза.

 

Расчет Q на наклонной поверхности. Пусть:

• h_о - высота Солнца (угол между направлением на Солнце и касательной к земной поверхности);
• a = 90° - h_о - угол падения солнечных лучей;
• b - крутизна склона;
• А - азимут простирания склона (характеризует экспозицию склона);
• А_о - азимут направления Солнца (характеризует время суток).

С учетом всех этих параметров точки суммарная радиация на наклонной поверхности вычисляется по формуле:

Q = [I + S]_склона = I₀ sinh_o cosa + cos²(a/2)ЧS_гориз;

cos a = cosbЧcosh_o + sinbЧsinh₀ (A_o - A).

При изменении значения альбедо изменяется тепловой баланс территории. На этом, в частности, был основан проект зачернения угольным порошком ледников в Средней Азии, чтобы они скорее растаяли. Однако проект потерпел неудачу, т.к. ночью появлялся иней и поверхность снова становилась белой. В годах снеготаяние происходит в среднем на 2 недели раньше, чем в сельской местности. Это отчасти связано с более низким альбедо грязного снега.

 

 

13. Методы определения составляющих теплового баланса

Радиационный баланс деятельной поверхности измеряется с помощью балансомера на высоте около 1,5 м. Прямую солнечную радиацию можно измерить с помощью актинометра (устанавливается перпендикулярно солнечным лучам), прямая радиация в данный момент равна I = I₀sinh_o, где I₀ - измеренная радиация, h_о - высота солнца в данный момент. Рассеянная радиация измеряется с помощью пиранометра (прибор с шашечками), если перевернуть этот прибор, то получается альбедометр.

Все термоэлектрические приборы работают на геофизических стационарах в паре с гальванометром ГСА-1. При проведении актинометрических исследований, для введения поправок, параллельно осуществляются наблюдения за скоростью ветра, состоянием солнечного диска, облачностью, цветом неба.

Эффективное излучение можно измерить непосредственно с помощью пригеометра или рассчетным путем. Эффективное излучение определяется формулой E₀ = sT⁴, где s - постоянная Стефана-Больцмана. Однако нужно ввести поправки 1) на то, что Земля не является абсолютно черным телом: d = 0,97; 2) на влажность воздуха: (1,17-0,23е). Тогда E₀ = ds (1,17-0,23е) Т⁴. Введя поправку на облачность (с - коэффициент, характеризующий высоту облачного покрова, n - облачность в долях от единицы), получим окончательную формулу для эффективного излучения:

E = E₀ (1 - cўn).

Если присутствуют только облака высокого яруса, то сў = 0,15-0,20; среднего яруса - 0,5-0,6; нижнего яруса - 0,7-0,8. Для определения в поле эффективного излучения нужно измерить влажность (по психрометру), температуру поверхности почвы и т.д.

 

14. Уравнение теплового баланса (ТБ) ПТК

Тепловой баланс записывается не на деятельную поверхность, а на деятельный слой. Уравнение теплового баланса ПТК имеет вид:

 

R = LT + LE + P_K + P_A + F ± A + B_z - LC,

где:

• Т - транспирация;
• L - скрытая теплота испарения (транспирации). Это постоянная, она равна 0,6 ккал/г (для испарения 1 г воды нужно затратить 0,6 ккал);
• Е - испарение;
• Р_К - турбулентный теплообмен между атмосферой и слоем растительного покрова;
• Р_А - турбулентный теплообмен с атмосферой;
• F - энергия, которая ассимилируется в ежегодной фитомассе (в результате фотосинтеза);
• А - поток тепла в/из почвы;
• B_z - тепловой сток;
• LC - приход энергии при конденсации влаги.

 

Важнейшими расходными составляющими теплового баланса являются затраты тепла на суммарное испарение и турбулентный теплообмен с атмосферой. Теплопоток в почву за годовой цикл в среднем многолетнем равен нулю. Однако, в некоторые периоды истории Земли он был отличен 0 и шло формирование (либо, таяние) вечной мерзлоты.

 

 

15. Показатели структуры теплового баланса. Зональные закономерности структуры ТБ.

Долю основных потребителей энергии в тепловом балансе характеризуют четыре показателя структуры теплового баланса:

1. LEў/R, где Еў = T + E (транспирация плюс испарение) - суммарное испарение.
2. P/R;
3. A/R;
4. F/R.

Показатели структуры теплового баланса удобнее абсолютных, т.к. они безразмерны, их изменчивость меньше. Показатели структуры теплового баланса - средства описания ПТК разного уровня. Даже в пределах одного ландшафта могут быть существенные различия.

Крайние выражения теплового баланса отмечены летом для пустынной зоны, когда R » P, и весной для тундровой зоны, когда R » LE.

Наиболее репрезентативен показатель LE/P. Географическое распределение испарений в геосистемах зависит от энергетических ресурсов (для тундры и лесной зоны) и от условий увлажнения (лесостепь, степь, полупустыня, пустыня). В Тундре летом отношение LE/R не превышает 54% (плохая водоотдача мохово-торфяных комплексов). В лесной зоне отношение LE/R летом возрастает до 80%, а в пустыне и степи снова уменьшается.

Специфической особенностью ТБ луговых поверхностей в период с положительной температурой воздуха выступает повышение теплового потока в почву в области распространения мерзлых пород. Соотношение A/R может достигать 10-14%.

Структура теплового баланса зональных типов и подтипов ландшафтов ЕТР (ккал/cм₂Чгод)

тип (подтип) ландшафта	LE/R	P/R	R
мохово-кустарничковая (южная) тундра	0,85	0,15	14-20
северная тайга	0,84	0,15	23
средняя тайга	0,82	0,17	28
южная тайга	0,77	0,21	32
смешанные леса	0,72	0,26	38
широкол. леса	0,68	0,31	41
лесостепь	0,63	0,35	43
степь	0,50	0,49	47
полупустыня	0,28	0,72	56
пустыня	0,10	0,87	60

Если рассматривать тепловой баланс ПТК не за год, а за день, то A/R № 0:

типы ландшафта	LE/R	P/R	A/R
пустыня	0,14	0,67	0,19
степь	0,40	0,47	0,13
тайга ЕТР	0,67	0,24	0,09
мерзлотно-таежные В.Сиб.	0,30	0,33	0,35
тундра ЕТР (без вечной мерзлоты)	0,65	0,20	0,15

Пустыня - преобладает турбулентный теплообмен, испарение - только через транспирацию растений; почва очень сильно прогревается.

Степь - летом возрастают затраты на испарение (хотя в среднем по году еще больше, т. к. максимальное испарение наблюдается при таянии снега весной); в почву летом поступает меньше тепла, чем весной, когда почва холодная и “принимает” тепло.

Европейская тайга - максимальны затраты тепла на физическое испарение и на транспирацию растений, турбулентный теплообмен и поток тепла в почву меньше.

Мерзлотно-таежные ландшафты (Якутия) - максимален поток тепла в почву, т.к. на глубине около 30 см температуры отрицательны и требуется тепло. Несмотря на высокие летние температуры испарение не велико, т.к. мало влаги для испарения (вечная мерзлота недоступна для испарения, т.к. температура воды для транспирации должна быть более 6°С).

Тундра - максимальны затраты тепла на испарение.

 

Тепловой баланс при орошении:

В мире около 220-230 млн га относится к орошаемым землям. Орошаемое земледелие больше всего развито в полупустынных и степных ландшафтах.

Структура теплового баланса при орошении, июль 13 ч

тип ПТК	LE/R	P/R	A/R
полынно-солянковая полупустыня	0,00	0,85	0,15
луговая степь	0,45	0,45	0,10
орошаемое поле	1,0	-0,10	0,10