Теоретичні та прикладні питання ландшафтознавства, Геофізичні методи дослідження
Геофізичні методи засновані на дослідженні балансу енергії та речовини, що функціонують, переміщуються та трансформуються в межах досліджуваного ПТК. Крім того, геофізика ландшафту вивчає баланс енергії та речовини у процесі взаємодії геосистем будь-якого рангу.
Природний комплекс має специфічний речовий склад. Як основні зазвичай вважають п'ять компонентів: гірські породи, вода, повітря, рослини та тварини. Крім того, часто називають ґрунти як шостий похідний компонент. З урахуванням всіх системних взаємодій до ПТК додається сьомий компонент – мертва органічна речовина чи мортмаса. Виділення мортмас об'єктивно доцільно, оскільки як компонент вони відіграють істотну роль функціонуванні ПТК. Мортмаса є елементарною структурно-функціональною частиною природного комплексу, як і гірські породи, рослинність, повітря, водні маси тощо.
Відповідно до складу кожного повного природного комплексу входить сім основних компонентів. Кожен із компонентів має специфічні властивості, якісно відмінні від інших, що визначає різноманіття ПТК. Функціональні характеристики компонентів ПТК виявляються у процесі енергетичних взаємодій, у ході трансформації будь-якої енергії, через взаємодії між собою.
За характером речовинного складу, участі у ПТК, ступеня активності геомаси поділяються на класи, типи, пологи та види.
Класи геомас виділяються на підставі агрегатного складу та функціональної ролі у ПТК. Так повітря або приземний шар повітря у виглядіаеромас буде виступати як сухе повітря - суміш газів без водяної пари. Водяні пари в аеромасах представляютьгідромаси, а пил та різні аерозолі – частини або фракції літомас.Літомасси – це гірські породи та мінерали, а також скелетна частина ґрунтів у складі ландшафту. Ґрунти у свою чергу кваліфікуються як педомасси – ґрунтовий мілкозем і гумус у складі ландшафту. Води різного генезису, що циркулюють у ПТК, називаються гідромасами : поверхневі води, грунтові води, вода в грунтах, атмосферна волога і т.д.
Відмерлі залишки рослин і тварин, які не беруть безпосередньої участі у функціонуванні ПТК, називаютьмортмасами. Мортмаси можуть зустрічатися і в гірських породах, і в ґрунті, і повітря. Крім того, до мортмас відносяться різні види підстилок: лісових, лісостепових та степових.
Складніша ситуація з рослинами і тваринами. Так, якщо порівнювати рослини як компонент і морфофункціональні частини рослинних організмів у складі ландшафту, то різниця між ними виникає при більш детальному розгляді. Окремі фракції фітомаси мають різне функціональне призначення. Стовбури, коренева система та гілки виконують транспортно-скелетну функцію, листя – функції газообміну, транспірації, фотосинтезу тощо. Кожна рослина складається з різних фітомас. У той самий час одні й самі фітомаси можуть спостерігатися в різних рослин. Так, фітомаси мезофільного листя зустрічаються у граба, бука, ліщини і т.д.
Зоомасси - сукупність живих організмів, що грають певну роль у функціонуванні та розвитку природного комплексу. Відома дуже активна роль тварин, що риють; не менш важлива роль бобрів у регулюванні гідрологічного режиму на невеликих водотоках; специфічна і не менш важлива роль комах-запилювачів вищих рослин, які грають в енергетиці ландшафту провідну роль; наскільки важливароль бактерій і мікроорганізмів для ґрунтів і рослин також відомо: без них не замикався б жоден біогеохімічний цикл, а також не здійснювався процес взаємодії живої речовини з навколишнім середовищем.
Наведені вище приклади допомагають як зрозуміти різницю між компонентом і геомасою, а й виділити окремо поняття компонента ПТК як природного освіти, характеризується переважанням будь-якої однієї геомаси.
Нижче наведено таблицю класифікації геомас, відповідно до якої ідентифікується належність тієї чи іншої функціональної частини елементарного ПТК до якогось класу або типу геомаси (табл. 3).
Класифікація геомас в елементарному ландшафті
Класифікаційні дані класів геомас
Класифікаційні дані типів геомас
у вигляді сезонної мерзлоти
у різних водоймах
листя однорічних чагарникових рослин
листя багаторічних чагарникових рослин
листя хвойних дерев та чагарників (хвоя)
листя та стебла трав'янистих рослин
листя або виконуючі їх функції зелені пагони ксерофітних напівчагарників та напівчагарників
талофіти (водорості, гриби, лишайники та мохи)
транспортно-скелетні органи дерево-чагарникових рослин
класифікація не розроблена
сухостій і мертві гілки, що ще не впали
валежник та інший скелетний матеріал на поверхні ґрунту
відмерло, але ще не опале листя
аморфна органічна речовина, не пов'язана з мінеральною частиною ґрунту
силікатні та інші некарбонатні породи
породи кор вивітрювання та вивітряні гірські породи
Зазначена структурно-генетична класифікація геомас показує їхню приналежність до певногокомпонент елементарного ПТК. Разом з тим, у ландшафтознавстві геомаси оцінюються також за іншими ознаками: за характером активності, за ступенем виразності та іншими характеристиками.
За ступенем функціональної активності в ПТК геомаси поділяються такі групи (табл. 4):
Ступінь функціональної активності геомас у функціонуванні ПТК
Практично не беруть участі у функціонуванні, не переміщаються та не змінюються
Беруть участь у функціонуванні ПТК
Переміщаються у просторі
Змінюються у своїй кількості
Не змінюються у своїй кількості
Не переміщаються у просторі
Змінюються у своїй кількості
Не змінюються у своїй кількості
Зазначена класифікація походить від так званих трьох функціональних початків ландшафту, до трьох груп компонентів геосистеми: інертним, мобільним і біотично активним. Інертними можуть бути хмиз, підстилка, літогенна основа, рельєф; мобільними – водні та повітряні маси; біотично активними – сонячна енергія, водні маси, рослинність, тваринний світ.
Однак слід зазначити, що дана градація геомас певною мірою умовна. Наприклад, рельєф може активно змінюватися під впливом ерозійних процесів. Літогенна основа в тропічних широтах постійно збільшує потужність кори вивітрювання. Тваринний світ, крім біотично активного агента, не менш вагомий як мобільний компонент.
Разом з тим, не кожна геомаса розвивається в компонент ПТК. Прикладами можуть бути мортмаса і частково зоомаси. Інша група геомас розвивається компонент в окремих випадках, наприклад, гідромаси. І третя група геомас, яка в більшості випадків реалізується в компонент: аеромаси, літомаси, фітомаси тапедомаси. У такому разі виділяються ПТК повні та неповні. Повними вважаються ті, в яких присутні всі чотири компоненти: фіто-, аеро-, літо- та педомаси. Неповними вважаються ті, у яких відсутній хоча б один із компонентів.
Трансформація сонячної энергии. Сонячна радіація – найважливіший і майже єдине джерело енергії для біоти і у великій мірі для геоми в ПТК.
Загальна картина руху сонячної енергії пояснюється математичними виразами і добре ілюструється графічно. До верхньої межі ПТК сонячна радіація надходить у вигляді прямої (Сп) та розсіяної сонячної радіації (Ср). Разом вони становлять сумарну радіацію (Сс).
Частина радіації, що надходить, відбивається від рослин, поверхні грунту та інших компонентів ПТК і може бути позначена як Ор. Решта радіації поглинається у різних пропорціях між частинами природного комплексу. Та радіація, яка відбивається, характеризується величиною, що дорівнює відношенню відбитої (Ор) до величини радіації, що приходить (Сс). Це співвідношення кваліфікується як альбедо: = Ор/Сс.
Відомо, що теоретично значення можуть змінюватися від 1 для абсолютно білої поверхні до 0 для абсолютно чорної поверхні, повністю поглинає сонячні промені. Найбільші значення альбедо – 0,90–0,95 можна спостерігати у ПТК, повністю покритих чистим сухим снігом. Якщо сніг забруднений і зволожений чи з-під нього видно рослини, альбедо різко знижується до 0,40-0,50. Високі можуть бути величини альбедо для ПТК з розрідженою рослинністю або позбавленими її при світлих піщаних грунтах, кристалах солей і т.д. Більшість ПТК з розвиненою рослинністю альбедо змінюється у порівняно невеликих межах – от0,1 до 0,20-0,25. Тут важливе значення має вертикальна структураПТК, особливо характер рослинності. Так альбедо лісів частіше менше, ніж лугів та степів. Це пояснюється умовами поглинання потоків сонячної радіації, що проникли в рослинний покрив.
Поглинену радіацію, що визначається як різницю між сумарною та відбитою (Сс – Ор), називають короткохвильовим балансом або короткохвильовою радіацією (Рк).
Поверхня ґрунту, рослини та інші елементи ПТК внаслідок поглинання сонячної радіації (Сп + Ср) стають джерелами довгохвильового випромінювання. Експериментальні дані показують, що випромінювання природних ландшафтів загалом досить близьке до випромінювання чорного тіла при відповідній температурі. Відношення спостережуваних величин випромінювання до випромінювання абсолютно чорного тіла здебільшого перебувають у межах 0,90–1,00. Випромінювання визначається за законом Стефана-Больцмана і дорівнює σТ 4 де Т - абсолютна температура по Кельвіну, σ - постійна Стефана-Больцмана, рівна 8,14×10 -11 кал/см 2 · хв · град. Основна частина випромінювання посідає довжини хвиль від 5 до 10-30 мкм. Короткохвильова радіація (видима частина спектру) має довжини хвиль від 0,40 до 0,75 мкм. Інфрачервона радіація – понад 0,75 мкм, ультрафіолетова – не більше 0,40 мкм.
Водяна пара, що містяться за межами ПТК в атмосфері, і різні гази поглинають довгохвильову радіацію і утворюють противипромінювання атмосфери, спрямоване в природний комплекс. Воно значно зростає за наявності хмар. Різниця власного випромінювання ландшафту та противипромінювання атмосфери називаєтьсяефективним випромінюванням ландшафту або довгохвильовим балансом (Рд). Величина його в кілька разів менше власне довгохвильового випромінювання ПТК, який дорівнює Рд, якщо в атмосфері не було газів, водяної пари, аерозолів, пилу, тобто противипромінювання.При щільній низькій хмарності з високою температурою нижньої поверхні хмар ефективне випромінювання може дорівнювати нулю. Іноді воно може набувати негативного значення. І тут ПТК може отримувати додаткову енергію. Якщо противипромінювання ландшафт перевищує випромінювання самого ландшафту, то ПТК має позитивний радіаційний баланс, якщо навпаки – то негативний.
Алгебраїчна сума потоків радіаційної енергії, що приходить у ландшафт і йде з нього, називається радіаційним балансом (5) (Р). Радіаційний баланс дорівнює різниці між короткохвильовим балансом (Сс - Ор) і величиною довгохвильового ефективного випромінювання:
Ефективне випромінювання в середньому для всієї поверхні Землі значно менше поглиненої короткохвильової радіації. Така закономірність є наслідком про парникового ефекту, тобто. результатом щодо більшої прозорості атмосфери для короткохвильової радіації порівняно з прозорістю для довгохвильового випромінювання.
Далі енергія радіаційного балансу бере участь у формуванні енергетичного балансу ПТК загалом. Частина цієї енергії може витрачатися на нагрівання шарів атмосфери, що лежать вище за верхню межу ПТК, за допомогою турбулентного теплообміну. Також відбувається перерозподіл тепла між наземною та підземними частинами комплексу, тобто. теплообмін з ґрунтом, в результаті якого ґрунт може або нагріватися, або остигати.
Істотне значення має витрата тепла ПТК на випаровування вологи. При цьому зазвичай розрізняють витрату тепла на фізичне випаровування та транспірацію. Коли замість випаровування вологи ПТК спостерігається конденсація водяної пари, відбувається надходження додаткового тепла.
Невелика у кількісному вираженні, але дуже важлива частинасонячної радіації витрачається фотосинтез (0,5% від Сс чи 1,3% від Р). Подальший перерозподіл цієї енергії відбувається значною мірою у перетвореному вигляді, її доцільно розглядати окремо. Зазвичай враховують витрати енергії на дихання рослин і тварин, на приріст фітомаси та зоомаси, переходи енергії в мертву органічну речовину та ґрунт.
Схема трансформації сонячної радіації в ПТК охоплює майже всі її потоки. Залежно від знаходження в тій чи іншій природній зоні, наявності загальних гідротермічних умов, характеру рельєфу та поверхні ПТК, що підстилає, мають різну структуру радіаційного балансу. Взимку, наприклад, фотосинтез переривається в помірних та полярних широтах, не завжди відбувається транспірація вологи рослинами. Велике значення для структури радіаційного балансу мають тимчасові рамки: день чи ніч, зима чи літо, сухий чи вологий сезон, і навіть приуроченість до рівнинам чи гір тощо. Тому вивчення радіації безпосередньо і насамперед у польових умовах, коли вимірюються всі складові радіаційного балансу, може дати ясну картину руху сонячної енергії у цьому ПТК.
Нижче наведемо деякі дані про характер трансформації сонячної енергії у різних типах ПТК (табл. 5).
Витрати сонячної енергії на випаровування та турбулентний обмін (Ісаченко А.Г., 1991)