К основным геофизическим процессам (от лат. processum – продвижение) относятся: трансформация солнечной энергии, выпадение и инфильтрация атмосферных осадков, испарение, поверхностный сток, транспирация, минерализация органики, продуцирование органического вещества и др.
Трансформация солнечной энергии в геоэкосистеме представляет собой достаточно сложный геофизический процесс. При этом одним из основных геофизических процессов является фотосинтез. Сущность фотосинтеза заключается в превращении растениями и водорослями лучистой энергии солнечного света, поглощаемой хролофиллом или другими фотосинтетическими пигментами, в химическую энергию разнообразных биополимеров (углеводов, жиров и белков). Процесс фотосинтеза во многом определяется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Для расчета ФАР существует достаточно простая формула: ФАР = 0,43J + 0,57S, где J – прямая, S – рассеянная радиация.
По Н. Ф. Реймерсу (1990) следует различать первую биологическую продуктивность экосистем – биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени, вторичную – биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые всеми консументами на единицу площади за единицу времени, валовую – общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая израсходованную на дыхание растения энергию и летучие биогенные вещества.
|
|
Метод балансов
Метод балансов (от франц. – balancе) – способ обработки и анализа информации на основе равенства целого сумме частей. Его сущность заключается в сопоставлении количества вещества, энергии и информации поступающих в геоэкосистему (геосистему, экосистему), трансформирующихся в ней и уходящих из нее. В геоэкологии и географии рассматривается несколько балансов.
Радиационный баланс (R) или остаточная радиация, т. е. радиационная энергия, которая непосредственно идет на различные процессы протекающие в геоэкосистемах, рассчитывается по формуле: R = Q (1 – A) – Eэф., где Q – суммарная радиация, А – альбедо, Eэф. – эффективное длинноволновое излучение. Суммарная солнечная радиация представляет собой сумму прямой (J) и рассеянной (S) радиации: Q = J + S. Отражательная способность поверхности геоэкосистемы – альбедо вычисляется по формуле А = D / Q, где D – отраженная коротковолновая радиация. Эффективное длинноволновое излучение представляет разницу теплового излучения земной поверхности (Ез) и теплового излучения атмосферы (Еа): Еэф. = Ез. – Еа.
Для определения составляющих радиационного баланса используются такие приборы как актинометр (применяют для измерения потока прямой радиации на перпендикулярную лучам поверхность), альбедометр (применяют для регистрации суммарной, рассеянной и отраженной радиации), балансометр (применяют для измерения радиационного баланса деятельной поверхности), пергеометр (применяют для определения эффективного излучения).
|
|
Тепловой (энергетический) баланс выражает процесс прихода и расхода тепла, получаемого земной поверхностью в результатеего преобразования и перераспределения атмосферой и гидросферой: R = L (E + T) + P + + An + F + Bz – Lc, где R – радиационный баланс, L – скрытая теплота парообразования, Е – расход тепла на физическое испарение, Т – расход тепла на транспирацию, Р – затраты тепла турбулентный обмен с атмосферой, Аn – поток тепла в почву и из почвы, F – затраты тепла на фотосинтез, Вz – тепловой сток по поверхности, Lc – тепло, выделяющиеся при конденсации водяных паров.
Баланс снежного покрова – результат соотношения процессов накопления и убыли снега, обычно положительный в период снегонакопления и отрицательный при снеготаянии при сильных оттепелях. Уравнение баланса снежного покрова имеет следующий вид: Н = Х = (Qn – Qb) + Lέ – R, где Н – масса накопившегося снега, Х – выпавшие твердые атмосферные осадки, Qn – Qb – разность между привносом и выносом метелевого снега, Lέ – итог процессов испарения и конденсации снега, R – водоотдача тающего снега.
Влагооборот представляет собой часть общего круговорота воды в природе, включающая испарение с поверхности Земли, перенос водяного пара, его конденсацтю в атмосфере, образование облаков, выпадение осодков (Реймерс, 1990). Исследование влагооборота связано с изучением водного баланса и водного режима геоэкосистем.
Уравнение водного баланса имеет следующий вид: Х1 + Х2 + r = Sb + Sn + U + E + T + Bx + g + W, Z = Sb + Sn + U, где Х1 – атмосферные осадки в жидкой фазе, Х2 – атмосферные осадки в твердой фазе (снег), r – роса, Sb – поверхностный весенний сток, Sn – внутрипочвенный сток, U – подземный сток, Z – суммарный русловой сток или интегральный сток из замыкающего створа геоэкосистемы (ландшафта), Е – физическое испарение, Т – транспирация, Вх – аккумуляция влаги в годовом приросте биомассы, g – фильтрационный поток воды из геоэкосистемы (ландшафта) и поток глубинных напорных вод в геоэкосистему (ландшафт), W – изменение влагозапасов в почве за некоторый интервал времени.
Для изучения составляющих водного баланса используют экспериментальные данные, полученные на стоковых площадках, организуемых в бассейнах малых рек и ручьев площадью 0,1 – 10,0 км2.
Совокупность процессов поступления, передвижения, изменения состояния и расхода влаги в геоэкосистеме называют ее водным режимом. А. А. Роде (1956) выделил три основных типа водного режима почв: промывной (пермацидный), непромывной (импермацидный) и выпотной.
Биогеохимический цикл (биогеоцикл) – сложный процесс, включающий создание органического вещества из неорганического вещества. Балансовое уравнение для геоэкосистемы речного бассейна имеет следующий вид: Мх + Мр + G = Hn + Hs + Hu + Hp + Hт + Hg, где Мх – приход вещества с атмосферными осадками, Мр – приход вещества с воздушными потоками, Мт – приход вещества из недр земной коры с современными тектоническими движениями, G – приход (вынос) вещества с подземными водами, Hn – вынос вещества с поверхностным стоком, Hs – вынос вещества с внутрипочвенным стоком, Hu – вынос вещества с подземным стоком, Hp – вынос вещества с турбулентным обменом (воздушными массами), Нт – вынос вещества с транспирацией, Нg – гравитационные потоки.
Разработаны методы подсчета балансов неорганических твердых веществ и отдельных их элементов. Практический интерес представляет изучение баланса отдельных химических элементов при анализе химического загрязнения ландшафтов.
|
|
Для решения задач по охране окружающей среде представляют интерес не только балансы природного вещества, но и балансы включающие продукты производственной и непроизводственной деятельности людей. Энерго- массообмен геоэкосистем разных порядков изучается на многочисленных геофизических станциях, расположенных в различных природных зонах по всему миру. Балансы в сфере природопользования получили названия «ресурсных циклов».