Энергетика ландшафта и интенсивность функционирования

Функционирование геосистем сопровождается поглощением, преобразованием, накоплением и высвобождением энергии. Первичные потоки энергии поступают в ландшафт извне — из космоса и земных недр. Важнейший из них — лучистая энергия Солнца, поток которой по плотности многократно превышает все другие источники. Для функционирования ландшафта солнечная энергия наиболее эффективна; она способна превращаться в различные иные виды энергии — прежде всего в тепловую, а также в химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте, включая влагооборот и биологический метаболизм, а кроме того, циркуляция воздушных масс и др. Можно сказать, что все вертикальные связи в ландшафте и многие горизонтальные так или иначе, прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии.

Поток суммарной радиации к поверхности суши составляет в среднем около 5600 МДж/м2*год, а радиационный баланс — примерно 2100 МДж/м2*год. Для сравнения укажем, что энергия космических лучей оценивается приблизительно в 10-4МДж/м2*год, а энергия приливного трения

— в 0,1 МДж/м2*год. Энергия современных тектонических движений (в том

числе сейсмическая) также ничтожна в сравнении с солнечной — порядка 0,03 МДж/м2*год. Более ощутим тепловой поток из недр Земли, связанный с переносом к земной поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод (отчасти с теплопроводностью горных пород). Его средняя величина близка к 2 МДж/м2*год, что эквивалентно 0,04% суммарной солнечной радиации. Однако плотность этого потока резко дифференцирована в пространстве, и в вулканических районах он приобретает ландшафтообразующее значение. В региональных масштабах (для вулканических ландшафтов) величина потока геотермической энергии достигает 20 — 50 МДж/м2*год, а в локальных (в кратерах вулканов, горячих источниках) — нескольких тысяч МДж/м2*год, т. е. соразмерна с солнечной энергией. Во время вулканических извержений поток геотермического тепла может достигать 800 Дж/см с, что в пересчете на один год составляет 2,5*108МДж/м2.

С потоком солнечной радиации связана пространственная и временная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах. Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной — годичный — цикл функционирования. На земной поверхности электромагнитное излучение Солнца в основном превращается в тепловую энергию и в виде тепла же в конечном счете, после трансформации в ландшафтах, излучается в космическое пространство.

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается

с отражения части ее от земной поверхности. Потери радиации на отражение широко колеблются в зависимости от характера поверхности ландшафта. Так, альбедо свежевыпавшего снега составляет 0,80 — 0,95, тающего снега — 0,30

— 0,60, светлых горных пород и почв (в том числе песков) — 0,20 — 0,40,

темных горных пород и почв — 0,05 — 0,10, густого зеленого травостоя —

0,20 — 0,25, ерниковой и мохово-лишайниковой тундры — 0,15 — 0,25, травяной ветоши и болот — 0,15 — 0,20, лиственного леса в период вегетации и пожелтения — 0,15 — 0,20, хвойного леса — 0,10 — 0,15. Эффективное излучение, зависящее от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, также сильно дифференцируется по ландшафтам. В результате наибольшую часть суммарной радиации теряют приполярные ландшафты (арктические пустыни — около 87%), затем — тундровые (80%), а также пустынные и таежные (около 65%, что близко к среднему показателю для всей суши). Наименьшие потери присущи экваториальным лесным ландшафтам (47); ниже средней величины потери в степных, лесостепных и широколиственнолесных суббореальных ландшафтах (59 — 62%).

Подавляющая часть полезного тепла, поглощаемого земной поверхностью, т. е. радиационного баланса, затрачивается на испарение (точнее, на эвапотранспирацию) и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, иными словами — на влагооборот и нагревание воздуха (тепловая энергия, затраченная на испарение, также выделяется в атмосферу при конденсации водного пара). Соотношение указанных двух расходных статей радиационного баланса существенно различается по ландшафтам и в общих чертах подчинено зональности, причем в гумидных ландшафтах основная доля радиационного баланса расходуется на эвапотранспирацию, а в аридных — на турбулентный поток тепла в атмосферу (табл. 13).

На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь небольшая часть радиационного баланса, как правило, не выходящая за пределы точности его измерения. Тем не менее эти потоки играют существенную роль в

функционировании ландшафта. Тепло-обмен земной поверхности с почво-

грунтом имеет циклический характер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхности к почве, в холодное — в противоположном направлении, и в среднем за год оба потока балансируются. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Кроме того, величина теплообмена зависит от влажности и литологического состава почво-грунтов, влияющих на их температуропроводность, и от растительного покрова. Мохово-торфяный слой служит теплоизолятором, затрудняющим теплообмен между атмосферой и почвой; под пологом леса вследствие уменьшения притока солнечного тепла к поверхности почвы теплообмен слабее, чем на безлесных территориях. Теплообмен проникает в почво-грунты большей частью на глубину 10 — 20 м, его величина составляет не более

7- 793 l93

Т а б л и ц а 13. Затраты тепла на испарение и турбулентный обмен