2020-04-12
508
Радиационный баланс
Радиационный баланс — разность между приходящими к деятельному слою Земли и уходящими от него потоками солнечной энергии. Именно эта остаточная энергия идет непосредственно на процессы, протекающие в ПТК. Радиационный баланс рассчитывается по формуле
где Cs – суммарная радиация, Ce – эффективное излучение, Ca – отраженная радиация.
Суммарная радиация — сумма прямой солнечной радиации и рассеянной радиации всего небесного свода, поступающих на горизонтальную поверхность [7]. Соотношение прямой и рассеянной радиации резко меняется от географического положения, территории и в течение года. Также большую роль играет облачность – чем она больше, тем выше рассеянная и ниже прямая радиация, и наоборот. Также соотношение этих двух видов радиаций оказывает определенное влияние на распределение природно-территориальных комплексов.
Годовая суммарная радиация меняется в довольно широких пределах – от 334*104кДж/м2 до 836*104кДж/м2. Самые большие значения суммарной радиации соответствуют поясам высокого давления Северного и Южного полушарий, поскольку именно над этими районами прослеживается наименьшее количество облачности. Некоторое уменьшение годовой суммарной радиации прослеживается в экваториальных широтах, что связано с увеличением повторяемости пасмурного неба над экватором. От поясов высокого давления к северу и к югу суммарная радиация уменьшается, причем распределение её изолиний носит в основном зональный характер. Нарушение зональности связано с неравномерным распределением облачности и происходит там, где интенсивная циклоническая деятельность.
Особенно быстро суммарная радиация убывает к полюсам зимних полушарий. Это связано, во-первых, со снижением полуденной высоты Солнца и, во-вторых, с уменьшением продолжительности дня. В летнем полушарии высокие значения суммарной радиации устанавливаются на всех широтах, и поэтому изменения ее с широтой невелики. Наибольшее количество суммарной радиации получают тропические и субтропические пустыни. Большое количество суммарной радиации летом поступает также в полярные районы, где влияние небольшой угловой высоты Солнца компенсируется продолжительностью дня [5].
Примерно половина суммарной радиации составляет фотосинтетически активная радиация (ФАР), используемая растительностью в качестве основного энергетического потока для фотосинтеза. ФАР рассчитывается по формуле
где Csp – прямая; Crs – рассеянная радиация.
Эффективное излучение — разница между собственным излучением природно-территориального комплекса и встречным излучением атмосферы. Эффективное излучение представляет собой чистую потерю лучистой энергии и теплоты с земной поверхности ночью. Оно определяется по формуле
где Ces - собственное, Cea – встречное излучение.
Отраженная радиация - часть суммарной солнечной радиации, теряемой земной поверхностью в результате отражения. Отражательная способность объектов характеризуется их значением альбедо – отношение количества отраженной радиации к суммарной, попадающей на данный объект. Альбедо меняется в довольно широких пределах и зависит от свойств подстилающей поверхности, высоты Солнца, облачности, скорости ветра и т.д.
Интенсивность суммарной радиации, эффективного излучения и альбедо определяет радиационный баланс. Годичные значения радиационного баланса также изменяются в широких пределах: в арктических пустынях он составляет менее 42*104кДж/м2, тогда как в экваториальном поясе он может достигать 376*104кДж/м2.
Годовой, месячный, суточный радиационный баланс тесно связан с суммарной радиацией, альбедо и эффективным излучением. Наибольшая связь наблюдается с суммарной радиацией. Однако существенный коррективы вносит набор геомасс и их количество. Например, зеленая фракция фитомассы, ветошь, свежий и лежалый снег имеют разное альбедо. Также предполагаются различия в эффективном излучении. А если это так, то радиационный баланс будет связан не только с суммарной радиацией, но и с преобладающими в определенных состояниях ПТК геомассами.
Характер литогенной основы обусловливает существенное изменение основных параметров трансформации солнечной энергии. Сравнивая эффекты влияния таких характеристик, как высоты, крутизны и экспозиции склона, Н.Н.Выгодская утверждает, что при средних многолетних условиях облачности в различных климатических областях умеренного пояса сохраняются общие тенденции в приходе радиации к склонам, характерные для безоблачного неба. Однако облачность нивелирует пространственные контрасты. Общий уровень ослабления возможной радиации, а также степень сглаживания пространственных контрастов обусловлены региональными особенностями режима облачности [4].
Также следует учитывать, что солнечная радиация поступает на деятельный слой, который имеет определенную толщину. Деятельный слой – слой вещества, в котором приходящий поток радиации трансформируется и характеристика потока, вышедшего из слоя, отличается каким-либо параметром от вошедшего в него или поглощается в этом слое полностью [10].
В лесных ПТК деятельный слой отличается большой мощностью. В этом слое основным элементом, поглощающим и трансформирующим лучистую энергию, является геомасса листьев или хвои. Транспортно-скелетные органы играют меньшую роль. ПТК с травянистой растительностью имеют относительно маломощный деятельный слой.
В глубине растительности наблюдается постепенное ослабление суммарной радиации и к поверхности почвы проникает лишь 2% от ее количества над кронами деревьев. Но стоит учитывать то, что структура поглощения в разных ПТК существенно отличается.
Моделирование распределения солнечной энергии в ПТК необходимо проводить на основе анализа связи проникновения солнечной энергии с количеством геомасс, а также со структурой и текстурой всего природно-территориального комплекса.
Возможны два подхода к моделированию проникновения солнечной радиации. Первый связан с построением графиков, где на оси абсцисс откладывается количество отдельных фитомасс, а на оси ординат – количество проникающей солнечной радиации от ее суммарного количества над растительностью при постоянных высотах Солнца и однородных погодных условиях. Этот подход применяется лишь для простых фитоценозов. Для сложных фитоценозов используют подход с построением квазитраекторий, которые последовательно соединяют интервалы геомасс и значения количеств проникающей солнечной энергии [1].
Тепловой баланс
Тепловой (энергетический) баланс Земли – соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе «Земля — атмосфера». Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является солнечная радиация, поэтому распределение и соотношение составляющих теплового баланса характеризуют её преобразования в этих оболочках [5].
Тепловой баланс земной поверхности рассчитывается по формуле
где Cp – турбулентный поток теплоты от подстилающей поверхности к атмосфере, Cb – поток теплоты от подстилающей поверхности к нижележащим слоям, Cl – затраты теплоты на испарение, Cf – затраты теплоты на фотосинтез и дальнейшую трансформацию в биогенном компоненте. Последний член уравнения теплового баланса значительно меньше ошибки измерения трех остальных членов, поэтому его не учитывают.
Из составляющих энергетического баланса, не включенных в уравнение, наиболее значимым может быть расход теплоты на таяние льда или снега на земной поверхности (или приход теплоты от замерзания воды). Для больших периодов определения эти потоки значительно меньше остальных составляющих энергетического баланса, однако в период снеготаяния их необходимо включать в уравнение теплового баланса в качестве дополнительного члена.
Другие составляющие энергетического баланса – потоки теплоты от диссипации (рассеяния) энергии при трении воздушного потока, ветровых волн, приливов, потоки теплоты, переносимые выпадающими осадками, приход теплоты от окисления биомассы – обычно значительно меньше остальных составляющих баланса. Исключения хотя и возможны, но редки. Например, при пожаре может освободиться значительное количество энергии, аккумулированное в фитомассе.
Так как в среднем за год верхний слой почвы не охлаждается и не нагревается, то для среднего многолетнего периода член Cb=0 и уравнение упрощается до
Во внетропических широтах затраты теплоты на испарение уменьшаются по абсолютному значению с ростом широты [3]. Наибольшие затраты теплоты на испарение наблюдаются в некоторых экваториальных районах, где при обилии влаги и большом притоке теплоты они превосходят 251*104 кДж/(м2*год), что соответствует испарению за один год слоя воды более 1 метра. В то же время в арктических и аридных пустынях этот же член уравнения теплового баланса меньше 42*104 кДж/(м2*год), что связано в первом случае с низкими температурами, во втором – с недостатком осадков.
Турбулентный теплообмен обычно противоположен затратам теплоты на испарение. Наибольшее значение (251*104 кДж/(м2*год)) он достигает в тропических пустынях. В холодных гумидных областях этот теплообмен обычно уменьшается и в умеренном поясе составляет (22-63)*104 кДж/(м2*год).
Трансформация солнечной энергии в биогенном компоненте
Большое внимание в трансформации солнечной энергии уделяется так называемым пищевым цепям – переходу энергии пищевых веществ от первичных продуцентов-растений через ряд организмов, каждый из которых кого-то или что-то поедает и становится пищей для других [8]. Через весь природно-территориальный комплекс проходит этот поток энергии, который начинается со связывания энергии солнечного излучения растениями и заканчивается полным разложением органических соединений.
Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищные цепи, которые начинаются с зеленых растений и идут далее к пастбищным растительноядным животным и хищникам, и детритные цепи, начинающиеся с мертвого органического вещества, далее к поедающим их микроорганизмам, а затем к детритофагам и их хищникам.
Пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены между собой. Их сплетение называют пищевой сетью. В сложном природном сообществе организмы, получающие свою пищу от растений через одинаковое количество этапов, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню [9].
Первый трофический уровень – уровень продуцентов – занимают зеленые растения. Второй трофический уровень – уровень консументов – связан с травоядными. Третий уровень – уровень вторичных консументов – включает в себя хищников. Может существовать и четвертый уровень – хищники, поедающие хищников, то есть вторичные хищники.
Если рассматривать схему потоков энергии на трофических уровнях, то можно увидеть, что на каждом последующем уровне трансформации солнечной энергии поток сильно уменьшается. На первом трофическом уровне поглощается около 50% солнечной энергии, при этом превращается в энергию пищи лишь 1% поглощенной энергии. Вторичная продуктивность на каждом последующем уровне консументов составляет 10% от предыдущей, хотя на уровне хищников может быть и выше – до 20%.
В экологии и физиологии детально рассматриваются те процессы, которые происходят в растениях и животных при превращениях солнечной энергии и потреблении пищи.
Процесс трансформации солнечной энергии в биогенном компоненте начинается с листа растения. Часть радиации, попадающей на лист, отражается от его поверхности, часть проходит через лист и часть поглощается листом и может оказать физиологическое воздействие. Это воздействие заключается в том, что радиация может использоваться и как источник энергии для фотохимических процессов, и как раздражитель, регулирующий развитие растения. Кроме того, солнечная энергия может вызывать повреждения.
Особую важность представляет фотосинтез. При фотосинтезе солнечная энергия поглощается и преобразуется в энергию химических связей. Диоксид углерода, необходимый для этого процесса, поступает из атмосферы и почвенного воздуха. При фотосинтезе происходит разложение воды, из которого в окружающую среду выделяется кислород, а водород идет на восстановление CO2 и синтез органических соединений. На интенсивность фотосинтеза будет влиять ряд факторов: свет, температура, количество влаги, газообмен, почвенные факторы и т.д.
Энергия поглощения растением или другим трофическим уровнем преобразуется одинаковым образом. Энергия поступает в биомассу и ассимилируется в ней. Следует сказать, что не вся энергия подвергается превращению; часть ее может пройти через биологическую структуру. Например, часть энергии проходит через растительность, не усваиваясь в ней.
Ключевая часть – это разделение ассимилированной энергии на две компоненты. Та часть фиксированной энергии, которая окисляется и теряется в форме теплоты, называется дыханием, а та часть, которая превращается в новое органическое соединение – продукция. Важно подчеркнуть, что продукция – это энергия, доступная следующему трофическому уровню.
Продукция может принимать различные формы. Основные ее типы – это рост и увеличение биомассы, ассимилированное органическое вещество, выделяемое с экскрементами или секретируемое (например, простые сахара, мочевина), запас (например, жировые накопления).
