Характеристики различных районах европейской территории в России
|
Характеристики
|
Воздушная масса
|
кАВ
|
мАВ
|
кУВ
|
мУВ
|
кТВ
|
мТВ
|
Вертикальная протяженность, км Средняя температура воздуха в
приземном слое, ° С: январь
|
1—3
- 20
|
2—5
-10
|
-8
|
-1
|
опопаузы
|
+ 3
|
июль
|
+ 8
|
+ 10
|
+ 20
|
+ 15
|
+ 25
|
Не характерен
|
Горизонтальная видимость, км
|
20—50
|
50
|
4—10
|
10—20
|
2—6
|
2—6
|
Особенности структуры
и функциональная роль аэромасс
Аэромассы относятся к
аморфным геомассам, так как в них невозможно невооруженным глазом выделить отдельные
элементы.
Из курса
микроклиматологии известно, что поверхности раздела с атмосферой имеют
примыкающий к ним тонкий слой воздуха, называемый ламинарным слоем. Внутри него
линии тока воздуха параллельны поверхности, т. е. ламинарны, нет поперечных компонент
скорости и отсутствует турбулентность. Обмен воздухом через этот слой
осуществляется путем молекулярной диффузии. Выше расположен турбулентный приземной
слой, в котором наблюдается совокупность случайных беспорядочных завихрений. Из
определений ламинарного и турбулентного слоя вытекает, что каждый из них имеет
свою некую «скрытую структуру», для обнаружения которой необходимо провести
инструментальные наблюдения. Как известно, все геомассы делятся на инертные,
стабильные и активные. Даже в очень малые промежутки времени, например 1 с,
подавляющая часть аэромасс относится к активным, перемещающимся в пространстве,
поэтому ее функциональная роль в ПТК огромна. Состояние аэромасс, в частности
их температура и скорость ветра, определяет интенсивность целого ряда
процессов, таких, как физическое испарение, транспирация, таяние, фотосинтез,
дыхание, биологическая активность организмов, скорость минерализации мортмассы
и т. д.
Плотность аэромасс
практически не влияет на функционирование природно-территориальных комплексов
во всех ландшафтах.
Расчет количества
аэромассы в большинстве случаев носит ориентировочный характер. Это связано с
тем, что верхняя граница ПТК, во-первых, отличается сильной изменчивостью и,
во-вторых, в целом ряде ПТК трудноопределяема. Тем не менее, для сравнения с
другими геомассами, а также для оценки интенсивности трансформации воздушных
масс конкретными природно-территориальными комплексами даже ориентировочные
определения количества аэромассы представляют интерес.
Классификация аэромасс
Приведенные выше данные
свидетельствуют о том, что плотность аэромасс не может быть положена в основу
их классификации, так как ее функциональная роль незначительна. Подразделение
на активные, стабильные и инертные аэромассы из-за абсолютного преобладания
активных геомасс также не имеет смысла. Аэромассы аморфны, и даже если удастся
выделить какие-то структуры, то для их исследования необходимо будет проводить
детальные инструментальные наблюдения. Поэтому использовать эту характеристику
для классификации не стоит. В связи с этим при дифференциации аэромасс наиболее
важными признаны их состав, обусловленный нахождением в надземной или подземной
части ПТК, температура, являющаяся одной из важнейших характеристик ПТК, и
скорость ветра. Некоторое значение имеет географическое положение очагов
формирования воздушных масс (арктический, полярный, тропический, морской и
континентальный воздух). Но основные свойства этих масс, связанные с
географическим положением, находят свое выражение в характеристиках аэромассы
конкретных природно-территориальных комплексов, хотя и в преломленном
(трансформированном) этими ПТК виде. Поэтому характер воздушных масс следует
учитывать на относительно низком таксометрическом уровне геомасс — уровне видов
аэромасс. Приведем основные градации:
Градации надземных
аэромасс по термическим условиям:
Ag — Криотермальные (морозные)
Отрицательные
температуры, при которых большинство процессов функционирования, связанных с
влагооборотом и биогеоциклом, законсервировано или близко к нулю.
An — Нанотермальные (очень прохладные)
Аэромассы с
ориентировочным температурным интервалом 0—5° С. В этих условиях могут
функционировать лишь малотребовательные к теплоте растения, процессы биогенного
функционирования большей частью подавлены, часто бывает интенсивное таяние
снега, инфильтрация.
Ak — Микротермальные (прохладные)
Температура воздуха 5—10°
С. Эта термическая градация позволяет активно функционировать лишь травянистым
растениям; большинство древесно-кустарниковых пород либо начинают, либо заканчивают
свое активное функционирование; некоторые процессы влагооборота активны, но
транспирация и испарение относительно низки.
Аz — Мезотермальные (умеренно теплые)
Аэромассы с интервалом
температуры 10—15° С. Многие растения активно функционируют и производят
фитомассу (особенно в бореальных ландшафтах); средняя интенсивность процессов
трансформации солнечной энергии и расходной части влагооборота.
Am — Макротермальные (теплые)
Высокие температуры
15—22° С; максимальная интенсивность биологических процессов; при прочих
благоприятных условиях расходная часть влагооборота и трансформация солнечной
энергии высоки.
At — Мегатермальные (жаркие)
Очень высокие температуры
(выше 22° С), избыток теплоты начинает отрицательно сказываться на процессах
биогеоцикла.
Аэромассы, связанные с
различной скоростью ветра.
При A и относительно слабом ветре (до 12,4 м/с или 6 баллов по
Бофорту) скорость ветра при обозначении состояния аэромасс не учитывается, так
как горизонтальные перемещения воздуха не оказывают существенного влияния на
функционирование ПТК.
При сильном и очень
крепком ветре (12,5—18,2 м/с, 7—8 баллов) ветер уже оказывает существенное
влияние на функционирование ПТК — раскачивает деревья, значительно увеличивает
испарение, перемещает снег и т. п. Исходя из этого к индексу аэромасс
прибавляется значок латерального перемещения, а градация аэромасс по
термическим условиям отступает на второй план.
При шторме и урагане
ветер ломает деревья, вызывает ряд катастрофических изменений и, таким образом,
влияет уже на структуру природно-территориальных комплексов. Это состояние
аэромасс обозначается А.
Видимо, имеет смысл
говорить и о вертикальных перемещениях аэромасс. Однако если средние скорости
ветра у земной поверхности меньше 5—10 м/с, то вертикальный перенос обычно мал
— порядка сантиметров или десятых долей сантиметра в секунду.
As — Аэромассы в почве
Некоторое количество
аэромасс содержится в почве — в порах, не занятых влагой. Однако их значительно
меньше, чем аэромасс в надземной части вертикального профиля ПТК. Большой
интерес представляет изучение «дыхания почвы» — одного из важнейших процессов
функционирования.
Количество аэромассы в
разных ПТК
Детальные исследования
динамики положения верхней границы фаций путем анализа распределения
параметров, характеризующих аэромассы (температура, влажность воздуха, скорость
ветра), производились в течение длительного промежутка времени только на
Марткопском физико-географическом стационаре, поэтому наиболее достоверные
расчеты количества аэромассы имеются лишь для предгорно-степных ландшафтов
Центрального Закавказья. Так как рассматриваемые ПТК расположены на высотах
900—1000 м, плотность аэромасс была принята равной 1,11*10-3 г/см3.
Изменение плотности воздуха, связанное с температурой, не учитывалось.
Анализ динамики количества
аэромассы в разных фациях Марткопского стационара в течение года показывает,
что она в основном связана с состоянием растительного покрова, в частности с
его фитомассой. Для аэромассы характерна значительная разница в их количестве
для различных фаций. Однако эта динамика не повторяет полностью ход кривой
количества фитомассы. Имеются различия. Это объясняется тем, что количество
аэромассы зависит не только от фитомассы, но и их проективного покрытия.
Например, в лощинах с лесными дериватами количество фитомассы изменяется в
течение года сравнительно мало, так как эта динамика связана в основном с
листьями, а они составляют не более 5 % от общей фитомассы. В то же время
листья создают значительное проективное покрытие и, следовательно, сильно трансформируют
воздушные массы. Поэтому разница в количестве аэромассы увеличивается. В
степных и луговых ПТК аэромассы зависят не только от фитомассы, но и от
мортмасс ветоши и подстилки, т. е. от суммарного количества вещества
органического происхождения в надземной части ПТК. Максимумы и минимумы
количества аэромассы часто не совпадают с аналогичными показателями фитомассы.
На положение верхней границы фации сильно влияет динамика погодных условий.
Количество аэромассы оказывается связанным не только с фитомассой, но и с целым
рядом других факторов.
Расчет количества
аэромассы в лесных ПТК вызывает наибольшие сложности. Это связано с тем,
чтореальных определений высоты верхней границы фаций с лесной растительностью
еще никто не производил. В экологической литературе имеются сведения о
наблюдениях на специальных вышках, но они обычно лишь не намного выше лесного покрова,
и поэтому эти данные непригодны для определения верхней границы. В настоящее
время количество метеорологических вышек, превышающих высоту леса в два раза и
более, во всем мире не больше одного-двух десятков. При этом на них не
производится тот комплекс наблюдений, который позволяет определить верхнюю
границу фаций с лесной растительностью. Поэтому при расчете количества
аэромассы в лесных ПТК приходится удовлетворяться предположением, что так же,
как в ПТК с травянистой, кустарниковой и низкорослой лесной растительностью, в
лесных фациях высота верхней границы проходит на двукратной высоте наиболее
высоких деревьев.
Но как производить расчет
аэромасс в тех ПТК, где растительность отсутствует или играет незначительную
роль, т. е. в обнажениях, пустынях и ледниках? Этот же вопрос относится к тем
ПТК, которые зимой полностью покрыты снегом, т. е. к степным, луговым,
полупустынным фациям. Микроклимат этих ПТК изучен значительно лучше, чем в
лесных фациях. Наблюдения показывают, что верхняя граница ПТК в ясные
безветренные дни проходит на высоте 1—3 м. Соответственно количество аэромассы
в этих ПТК колеблется в пределах 10—35 т/га.
Связь количества аэромассы
с мощностью ПТК (природно-территориального комплекса), плотностью воздуха и
скоростью ветра
Прежде чем
проанализировать связь аэромассы с другими геомассами, напомним, что количество
аэромассы зависит от плотности воздуха и мощности (толщины) надземной части
вертикального профиля ПТК. Если кроме «мгновенного» количества рассчитывать еще
и количество аэромассы в какой-то определенный промежуток времени, то к
названным факторам необходимо добавить скорость ветра и интенсивность
турбулентного потока.
Как уже отмечалось,
плотность воздуха зависит от целого ряда параметров, но наиболее важными из них
являются высота над уровнем моря и температура. Небольшое изменение
турбулентности или скорости ветра приводит к такому изменению высоты положения
этой границы, что количество аэромассы в том или ином состоянии ПТК может
уменьшаться на 20—30%, а при сильном ветре или обильных осадках, даже вдвое.
Таким образом,
«мгновенное» количество аэромассы в основном зависит от положения верхней
границы ПТК. Очень существен вклад ветра в реальное количество
аэромассы, находящейся в данном ПТК в какой-либо отрезок времени. «Мгновенные»
(в течение 1 с) количества аэромассы превосходят фитомассы и гидромассы, но их
на 1—3 порядка меньше, чем педомасс и литомасс в метровом слое, и на 3—5
порядков меньше, чем литомасс в слое 15—20 м. Однако в отличие от литомассы и
педомассы, которые в течение 109—1010 с (100— 1000 лет)
практически стабильны, аэромассы относятся к активным геомассам, и их
количество быстро меняется. Даже при скорости ветра всего лишь 1 м/с за 1 сут
через ПТК проходит большее количество воздуха, чем того вещества, которое
находится в метровом слое почвы. Значительный объем воздуха, проходящий через
ПТК, определяет высокую энергию аэромасс и их сильнейшее влияние на остальные
геомассы и состояние как отдельных компонентов, так и природно-территориального
комплекса в целом. При штиле и малых скоростях ветра находящиеся в ПТК
фитомассы и педомассы (а иногда и гидромассы) интенсивно изменяют свойства
воздушных масс — нагревают или охлаждают их, способствуют или препятствуют
вертикальным и горизонтальным перемещениям и в итоге преобразуют в аэромассы
конкретных ПТК. В этом отношении аэромассы можно сравнить с почвой. Если почва
является результатом взаимодействия в основном растительности и горных пород,
то аэромассы опять же в основном являются результатом взаимодействия воздушных
масс с растительностью. Разница заключается в том, что при формировании почв
растительность в течение длительного времени взаимодействует с одной и той же
горной породой, которая в связи со своей большой массой, намного превосходящей
фитомассу, обладает большой инертностью, и для ее изменения необходимы сотни и
тысячи лет. В случае аэромасс растительность или просто подстилающая
поверхность контактирует с очень мобильным, быстро изменяющимся во времени
компонентом — воздушными массами, имеющими небольшую массу и поэтому обладающие
незначительной инертностью. Часто аэромассы, находящиеся в состоянии
трансформации данным ПТК, еще не успели приобрести основные свои свойства,
начинают вновь трансформироваться данным ПТК в результате вторжения иных
воздушных масс, причем иногда в противоположном (по сравнению с предыдущими
условиями) направлении.
При малых скоростях ветра
происходит существенное изменение температуры воздуха и других свойств аэромасс
до значительной высоты. При больших скоростях ветра через ПТК проходят большие
объемы воздушных масс, и он как бы не успевает их «переработать» —
трансформировать. Поэтому верхняя граница ПТК в этом случае расположена
относительно низко и в отдельные состояния ПТК проходит на уровне верхушек
растений. Эффективность трансформации воздушных масс природно-территориальным
комплексом определяется не только количеством аэромассы, но и их качественными
изменениями. Эти последние могут быть связаны с колебаниями газового состава
(например, содержания СО2) и ряда метеорологических элементов:
температуры воздуха, скорости ветра, а также плотности воздуха. Детальные
исследования и последующие расчеты позволяют получить ряд интересных
результатов, в частности:
1. Проклассифицировать
ПТК и их состояния по силе трансформации воздушных масс.
2. Сравнить эти значения
с геомассами и структурой ПТК и на их основе, а также по данным о состоянии
воздушных масс получить представление о трансформации, а также определить
конкретные температуры воздуха в разных ПТК и в разных состояниях.
Последний результат
связан с решением так называемой обратной задачи по аэромассе. Прямой задачей в
этом случае будет определение по данным температуры воздуха, скорости ветра и
ряда других параметров состояния аэромасс и расчет показателей эффективности их
трансформации. Полученные таким образом экспериментальные данные позволят
установить зависимость между характеристиками аэромасс и этими показателями.
В связи с сильной
изменчивостью положения верхней границы ПТК во времени и с трудностью или даже
невозможностью ее определения для ряда природно-территориальных комплексов
расчет суммарного количества аэромассы носит в большинстве случаев
ориентировочный характер. Тем не менее определение ее количества позволяет
сравнить роль этой геомассы с другими в структуре и функционировании ПТК,
понять ландшафтно-геофизические особенности аэромасс. Изучение свойств аэромасс
вызывает большие затруднения, во-первых, из-за аморфности и не видимой
невооруженным глазом структуры, во-вторых, в связи с очень большой
лабильностью, связанной с небольшой массой и плотностью и определяемой ими
малой инертностью, и, в-третьих, из-за необходимости длительных
инструментальных исследований, производимых по всему вертикальному профилю ПТК.
Аэромассы относятся к тем геомассам, для которых масса, плотность и другие
характеристики не столь значительны, как их состояние, определяемое структурой,
скоростью ветра, газовым составом, нахождением в определенных частях ПТК. Аэромассы
и их свойства зачастую связаны не с конкретными, а с весьма удаленными ПТК.
Однако чем дольше находятся аэромассы на конкретной территории, в каком-либо
природно-территориальном комплексе, тем больше они трансформируются. ПТК
образно можно рассматривать как «машину», которая трансформирует свойства
аэромасс. Интенсивность трансформации воздушных масс увеличивается с
уменьшением скорости ветра и увеличением количества фитомассы. Воздушные массы
в ПТК можно рассматривать как зеркальный аналог почвы. Если почва является в
основном результатом взаимодействия биогенного компонента с горной породой, то
аэромассы и их свойства определяются контактом растительности и воздушных масс.
Так же как в почве, наиболее характерные для нее свойства наблюдаются в
приповерхностном слое, а выше (для почв — ниже) особенности аэромасс
размываются. Исследование аэромасс и их свойств необходимо для решения так
называемых обратных задач, когда по типу воздушных масс, находящихся в данный
момент на данной территории, другим геомассам и характеру вертикальной
структуры ПТК можно без детальных измерений рассчитать характеристики аэромасс
в данном ПТК.
Литература
1.Будыка М.И. Глобальная экология. –
М., 1997
2.Дювиньо П., Танг М. Биосфера и место
в ней человека. – М., 1988
3.Беручашвили Н.Л. Четыре изменения
ландшафта. – М., 1986
4.Перельман А.И. Геохимия ландшафта.
– М., 1995