методы исследований, книга. Высшее профессиональное образование

• Название: Высшее профессиональное образование
• Анкор: методы исследований, книга.doc
• Дата: 03.12.2017
• Размер: 11.53 Mb.
• Имя файла: методы исследований, книга.doc
• Тип: Документы; #10635
• страница: 10 из 30

84

' лий (с лёссовидными суглинками и супесями), а затем уже с гос-подством лёссовых пород, свойственных опольям.

Больше всего осадков выпадает на ветроударных склонах, за­нятых предполесьями, о чем свидетельствует их маломощный чет­вертичный покров: коренные (часто карбонатные) породы здесь залегают ближе всего к поверхности, порой обнажаются в поч­венной прикопке. Получается, что предполесья несколько боль­ше подвержены действию ветра и воды, хотя сама эрозия здесь в большей мере плоскостная, так как эрозионных форм почти нет или они слабо выражены (лощинообразные, с пологими скло­нами).

Таким образом, если под катеной подразумевать ряд ПТК от вершины возвышенности до водоприемного понижения, то в це­почке ландшафтов полесье — ополье мы имеем две мезокатены: предполесье — полесье—долина реки и пред ополье — ополье—до­лина реки. Но обе эти катены тесно связаны между собой преобла­дающим западным переносом воздушных масс и составляют не­прерывную цепь геохимически и геофизически взаимосвязанных и взаимозависимых природных комплексов. Отсюда следует важ­ный методический вывод: во-первых, надо исследовать не только ополье как таковое (в данном случае это скорее аналитический подход), но и всю ландшафтную катену, началом которой оно является. А во-вторых, изучать не только каждую катену в отдель­ности, но и их цепь в непрерывном взаимодействии (синтез, ин­тегральный подход). Без тщательного анализа невозможна инте­грация, поэтому очень важна постоянная готовность к разноуров­невому анализу и синтезу.

Ф.Н. Мильков (1974) ввел в географию понятие о склоновой микрозональности ландшафтов. Природные комплексы склонов — парагенетические системы, тесно связанные в своем происхожде­нии и развитии однонаправленными склоновыми процессами. Это и есть ландшафтные катены. Считая, что выпукло-вогнутые скло­ны наиболее широко распространены на суше, Ф. Н. Мильков вы­делил на их примере четыре основные склоновые ландшафтные микрозоны — А, В, С, D.

Микрозона А — пологие присетевые и приводораздельные скло­ны, где зональные черты ландшафта мало нарушены склоновыми процессами. Их можно отнести к элювиальным ПТК или же к трансэлювиальным с преобладанием элювиальных процессов. Мик­розона В — прибровочная часть склона, чаще всего выпуклая, зна­чительной крутизны, с проявлением процессов энергичного смы­ва почв, обычно более сухая. Это типичные трансэлювиальные ПТК. Микрозона С — средняя часть склона, где процессы плоскостного смыва ослабевают и начинается аккумуляция материала. ПТК этих участков можно отнести к переходным между трансэлювиальны­ми и трансаккумулятивными. Микрозона Dрасположена на стыке

85

склона с равниной. Здесь образуются делювиальные шлейфы. ПТК этой микрозоны трансаккумулятивные.

В зависимости от формы склона микрозоны могут быть развиты по-разному. Например, на крутом выпуклом склоне господствует микрозона В; микрозоны А и Dразвиты слабо; микрозона Сможет отсутствовать вовсе. На склонах другой формы могут быть развиты все зоны, но ширина их может оказаться очень различной. Слож­ные склоны рассматриваются как совокупность простых, на них соответственно усложняется и чередование микрозон. Например, для древнеоползневого склона характерен следующий ряд: А, В, С, В, С, В, С, D; для свежего оползневого склона — А, В, D, В, С, D.

Ф. Н. Мильковым и его учениками построены классификации систем склоновых ландшафтных микрозон с учетом как природ­ных, так и антропогенных факторов (Бережной, 1983 и др.).

Комплексное ландшафтное профилирование как самостоятель­ный вид работ или как один из методических приемов картогра­фирования чаще всего является ни чем иным, как изучением кате-нарно сопряженных ПТК или склоновой ландшафтной микрозо­нальности, выявлением свойств склоновых ПТК, пространствен­ного их размещения, приуроченности к определенным геолого-геоморфологическим условиям, особенностей радиальных и лате­ральных связей.

2.6. Ландшафтно-геофизический подход к изучению ПТК

Из истории развития метода и его сущность. Геофизический под­ход к изучению природной среды зародился столь же давно, как и сама география. С самых ранних этапов развития географии для нее было свойственно стремление охарактеризовать наиболее общие особенности строения Земли, ее вещественного состава, познать физическую сущность процессов: круговорота воды, циркуляцию воздушных масс, разрушения и перемещения горных пород и т.д.

Долгое время география и геофизика развивались в рамках од­ной науки. Даже в XIX столетии географы не всегда разграничива­ли эти две науки. До относительно недавнего времени геофизиче­ские методы использовались в географии преимущественно при изучении наиболее динамичных компонентов — воздушных и вод­ных масс. Без применения этих методов вообще немыслимо суще­ствование таких отраслевых географических наук, как климатоло­гия, гидрология, океанология, гляциология. Существенную роль они играют в геоморфологии и геокриологии (мерзлотоведении).

Качественно новый этап развития геофизического метода в гео­графии — применение его к изучению таких сложных динамиче-

86

ских систем, включающих в себя разные уровни организации ма­терии, как ПТК и географическая оболочка в целом.

Геофизический метод в комплексной физической географии включает всю совокупность приемов, при помощи которых изуча­ются физические свойства ПТК и физико-механический аспект процессов обмена веществом, энергией и информацией как внут­ри комплекса, так и комплекса с окружающей средой (К.Н.Дья­конов и др., 1996), так как именно эти процессы составляют сущ­ность взаимосвязей ПТК. У его истоков стояли А. А. Григорьев, М. И. Будыко и Д.Л.Арманд.

А. А. Григорьев еще в 1929 г. писал о том, что изучение механизма процессов, протекающих в природной среде, преследует две цели: углубить наши представления о качественной стороне географиче­ских процессов и их взаимозависимостях, а также установить прихо­до-расходный баланс тех категорий энергии и тех видов материи, которые играют основную роль в географических процессах. Он неоднократно подчеркивал, что все протекающие в природе процес-i сы тесно взаимосвязаны, и ввел в науку понятие единый физико-географический процесс (1934), которое близко по смыслу к совре­менному представлению о функционировании ПТК как интеграль­ном природном процессе (А. Г. Исаченко, 1991; И. И. Мамай, 1992).

А. А. Григорьев утверждал, что ведущую роль в формировании природных зон играет соотношение количества солнечной радиа­ции и атмосферной влаги, определяющее интенсивность ряда при­родных процессов и, прежде всего, биологического круговорота вещества. Совместно с М. И. Будыко им был установлен один из основных геофизических показателей природных зон — радиаци­онный индекс сухости (К,.), который представляет собой отноше­ние годового радиационного баланса (R) к годовой сумме осадков (г), умноженной на скрытую теплоту испарения (L):



Основная закономерность его изменения в пределах географи­ческой оболочки Земли — периодический закон географической зо­нальности.

Таким образом, геофизический метод в комплексной физиче­ской географии первоначально был применен для исследования энергообмена в пределах довольно крупных ПТК (природных зон) и базировался на использовании массовых данных наблюдений на станциях гидрометеосети. Дальнейшее применение его для деталь­ного изучения более мелких ПТК тормозилось отсутствием необ­ходимых для этих целей фактических данных.

Массо-, энергообмен различных ПТК очень индивидуальны и Могут существенно изменяться во времени и в пространстве (от комплекса к комплексу), поэтому надежность геофизических по-

87

казателей зависит от длительности и массовости наблюдений, ко­торые могут быть обеспечены лишь стационарными исследовани­ями.

Создание Курской полевой экспериментальной базы Институ­та географии АН СССР на территории Центрально-Черноземного заповедника в Стрелецкой степи позволило начать геофизическое изучение комплексов более низкого ранга. Д.Л.Арманд, обосно­вавший самостоятельность геофизического направления в ланд-шафтоведении, считал, что ведущее место в нем занимает пробле­ма обмена веществом и энергией между живой и мертвой приро­дой. Под руководством Д.Л.Арманда, М.И.Львовича и Ю.Л.Рау-нера на Курской базе с 1961 г. начали проводиться актинометри-ческие, теплобалансовые, гидрологические, биогеографические стационарные исследования.

В 60—70-х гг. XX в. создан ряд комплексных физико-географиче­ских стационаров, исследования на них, призванные обеспечить сбор фактического материала путем инструментальных наблюдений в разных ПТК, приобретают достаточно широкий размах. Стацио­нарные исследования проводились в академических институтах (Институте географии АН СССР, Институте географии Сибири СО АН СССР, Тихоокеанском институте географии ДВО АН СССР), а также в вузах (Тбилисском, Ленинградском, Московском, Львов­ском, Киевском и других университетах). Круг наблюдаемых явле­ний и процессов, а подчас и методика работ на этих стационарах, были различны, по-разному были расставлены акценты исследо­вания, но все они по существу были направлены на изучение раз­личных аспектов функционирования ПТК и их состояний (суточ­ных, внутрисезонных, сезонных, годовых и многолетних).

Дополнительный толчок развитию геофизического направле­ния в комплексной физической географии в 70-х гг. дает использо­вание дистанционных методов исследования. Особенно широкие возможности для этого открылись с появлением пилотируемых космических кораблей и искусственных спутников. Материалы раз­нообразных космических съемок (в видимой и инфракрасной час­тях спектра, спектрометрической, микроволновой, электромагнит­ной и др.) в сочетании с наземными исследованиями позволили установить связи между образом ПТК на различных снимках («спек­тральным образом») и их характеристиками, на основании кото­рых путем дешифрирования космических снимков можно полу­чать массовые данные о состоянии и функционировании различ­ных ПТК, устанавливать закономерности их динамики и развития. Под функционированием ПТК понимается «вся совокупность про­цессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме» (А.Г.Исаченко, 1991. — С. 13). Таким образом, функционирование ПТК состоит из множества элементарных процессов, имеющих физическую, химическую или

88

биологическую основу. Примерами таких процессов являются па­дение капель дождя, просачивание их сквозь почву, подтягивание влаги по капиллярам, фотосинтез, разложение органики микро­организмами и т.д. Но в природе эти элементарные процессы тес­но взаимосвязаны, так, капля воды не только просачивается сквозь почву, но и растворяет некоторые из содержащихся в ней соеди­нений, перемещает их в более низкие горизонты или уносит за пределы почвенного профиля, либо эта капля может оказаться захваченной корнями растений и участвовать в синтезе органиче­ского вещества. Поэтому просачивание воды сквозь почву может рассматриваться как с точки зрения физических закономерностей и методами физики, так и с позиций химии, ее методами иссле­дования.

На этом примере мы видим, как элементарные процессы, свя­занные с определенными формами движения материи, перепле­таются и переходят друг в друга, интегрируясь во все более слож­ные географические процессы. Так называемые частные географи­ческие процессы (испарение, эрозия, карстообразование, почво­образование, сток и т.д.) изучаются отраслевыми географически­ми дисциплинами. Однако с точки зрения функционирования ПТК такое расчленение условно. Например, сток — это процесс одно­временно и гидрологический, и геоморфологический, и геохими­ческий, а в их сочетании — физико-географический процесс в широком смысле этого слова. Географический смысл этого про­цесса не может быть сведен к простым законам механики, хотя по своей физической сущности сток — это движение воды под дей­ствием силы тяжести.

Сток служит звеном еще более сложного процесса — влаго-оборота, который, в свою очередь, является важной составной частью механизма взаимодействия между компонентами ПТК и между самими ПТК. Влагооборот (круговорот воды в природе) — одно из главных функциональных звеньев ПТК. Другим звеном является минеральный обмен (геохимический круговорот). Влаго­оборот, минеральный обмен и газообмен (как его часть) охваты­вают все потоки вещества в ПТК (массообмен). Однако мы знаем, что перемещение, обмен и преобразование вещества сопровожда­ется поглощением, высвобождением и трансформацией энергии, т.е. массообмен неразрывно связан с энергообменом, который, в свою очередь, является специфическим функциональным звеном ПТК.

Что касается информации — свойства систем отражать внеш­ние сигналы, производя при этом внутренние преобразования (Г. Ф. Хиль-ми, 1966), то изучать обмен ею (информацией) мы пока еще долж­ным образом не научились (это дело будущего), поэтому геофизи­ческий метод в его современном виде разработан для изучения массо- и энергообмена как важнейшей составляющей функцио­нирования ПТК.

89

Таким образом, главным подходом к исследованию функцио­нирования ПТК является изучение трех главных его звеньев — влагооборота, минерального обмена и энергообмена. В каждом из них, в свою очередь, необходимо различать биотическую и абио­тическую составляющие.

Наличие биоты в большей или меньшей степени накладывает отпечаток на все три функциональных звена ПТК, но, пожалуй, сильнее всего влияет на обмен вещества. Наиболее активной частью минерального обмена является биологический обмен, получивший название малого биологического круговорота, который выделяет­ся в качестве самостоятельного функционального звена. В то же время известно, что первичное продуцирование биомассы осуще­ствляется в основном за счет использования солнечной энергии, поэтому массообмен в биологическом круговороте тесно связан с энергообменом, а участие влаги в фотосинтезе и транспирация растений связывают биологический круговорот с влагооборотом. Кроме этих составляющих при расчете влагооборота необходимо учитывать задержание части атмосферных осадков листовой по­верхностью растений и их последующее испарение. В этом прояв­ляется влияние биоты на абиотическую составляющую влаго­оборота, а также энергообмена, так как на испарение затрачива­ется тепловая энергия. Так происходит перекрытие отдельных зве­ньев функционирования, что лишний раз подчеркивает условность любого разделения единого процесса функционирования на зве­нья. Оно лишь служит методическим приемом в целях познания этого сложного многопланового процесса.

Изучение биотических связей и биологического круговорота яв­ляется основной задачей биоценологических стационаров, а комп­лексные физико-географические стационары обычно переносят центр тяжести исследований на изучение абиотических процессов и горизонтальных связей между отдельными ПТК, играющих ве­дущую роль в интеграции их в более сложные комплексы.

Возможны два разных подхода к изучению функционирова­ния ПТК и его отдельных звеньев. Один из них заключается в том, что различные процессы (степень их сложности может быть разной) изучаются самостоятельно. Этот подход не вполне отвеча­ет задачам познания ПТК как целого. Он более характерен для отраслевых исследований, однако используется и в комплексной физической географии, где на интеграции элементарных процес­сов по формам движения материи с последующим их изучением на уровне и методами современной физики или химии базируется развитие таких новых направлений, как геофизика и геохимия ландшафта. Другой путь — изучение функционирования ПТК по принципу «черного ящика»: суммарно учитывается все вещество или энергия, поступающие в ПТК (на входе) и выходящие из него (на выходе), не вдаваясь в детали, что и как происходит

90

I

I внутри комплекса. При таком подходе теряется сущность и гео-I графический смысл протекающих в природе процессов, для по-.; знания которых важно изучать не только внешние потоки, но и внутренний оборот, так как от него зависят многие свойства ПТК, в том числе и его устойчивость по отношению к внешним воздей­ствиям. Внутренние потоки по своей интенсивности намного пре­восходят внешние.

Количественная оценка соотношения между внешним и внут-' ренним массо- и энергообменом ПТК и в целом его функциони­рование даются в виде баланса вещества и энергии. Следователь-, но, балансовые уравнения ПТК — это средство их физического I описания. Активным сторонником метода балансов в физической ■ географии был Д.Л.Арманд (1947, 1975). Важное значение этого I метода неоднократно подчеркивал и А. А. Григорьев, считавший, что приходо-расходные балансы вещества и энергии являются внеш-[ ним выражением качественных различий физико-географическо-I го процесса.

Метод балансов позволяет рассматривать потоки вещества и энергии, поступающие в ПТК и выходящие из него, а также внут-I ренние преобразования и связи процессов внутри комплекса. Не-I достаток этого метода — неполное отражение сущности природ-| ных процессов. Для составления балансов надо знать величины Iпоступления разных видов вещества и энергии в ПТК, их внутрен-I него обмена, метаболизма и аккумуляции, а также выноса за пре-| делы ПТК. Материалов для расчета баланса конкретных ПТК на-': коплено еще очень мало, поэтому приходится пока пользоваться [ не всегда однородными, часто отрывочными или косвенными дан-t¹ ными.

Радиационный баланс. Основным источником энергии многих I природных процессов является лучистая и тепловая энергия Солн-| ца, которая по плотности многократно превосходит все другие [ источники энергии в географической оболочке (внутреннее тепло Земли, энергия других космических тел и др.). Способная превра­щаться в другие виды энергии (тепловую, химическую и механи-[ ческую), солнечная радиация наиболее эффективна для функцио­нирования ПТК. За ее счет происходят внутренние обменные про­цессы в природном комплексе, включая влагооборот и биологи­ческий круговорот. Следовательно, все вертикальные и многие го­ризонтальные связи ПТК прямо или косвенно связаны с транс­формацией солнечной энергии. Поэтому важнейшее значение при геофизических исследованиях имеет определение радиационного и теплового балансов ПТК. Они измеряются в ккал/см² или кДж/м² (единицы СИ) в год, либо в кал/см² в минуту. Радиационный баланс рассчитывается по формуле













Оно весьма существенно изменяется от комплекса к комплексу и является важнейшей геофизической характеристикой ПТК. Это обусловлено зависимостью альбедо от особенностей деятельной поверхности, которая является продуктом формирования комплекса и отражает его специфику. Так, альбедо сухого свежевыпавшего снега составляет 0,80 — 0,95, чистого влажного снега — 0,60 — 0,70, загрязненного снега — 0,30 — 0,50; светлых горных пород — 0,20— 0,40, темных горных пород — 0,05 — 0,10; сухих светлых песчаных почв — 0,35 — 0,45, влажных серых почв — 0,10 — 0,20, темных почв — 0,05 — 0,15; густого зеленого травостоя — 0,20 — 0,25, тра­вяной ветоши и болот — 0,15 — 0,20, ерниковой и мохово-лишай-никовой тундры — 0,15 — 0,25, лиственного леса в период вегета­ции и пожелтения — 0,15 — 0,20, хвойного леса — 0,10 — 0,15. При расчетах радиационного баланса относительно мелких ПТК значе­ние некоторых альбедо может быть взято из табл. 8.

Эффективное излучение определяется по формуле



где Е_г— тепловое излучение земной поверхности; Е_а— встречное тепловое излучение атмосферы, направленное к деятельной по­верхности.

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, поэтому тоже из­меняется от комплекса к комплексу, порой весьма существенно.

Особенности радиационного баланса ПТК зависят не только от его географического (широтного) положения, режима облачно­сти и запыленности атмосферы, которые могут быть одинаковы на значительных пространствах, но и от многих местных (локаль­ных) факторов: экспозиции и крутизны склона, альбедо деятель­ной поверхности, теплоемкости литогенной основы и т.д., поэто­му радиационный баланс даже рядом расположенных фаций мо­жет существенно отличаться.

Для определения составляющих радиационного баланса обыч­но используют актинометр (для измерения прямой радиации), альбедометр (для измерения суммарной, рассеянной и отражен­ной радиации), балансомер (для измерения радиационного балан-

92

Г са деятельной поверхности). Все они работают в паре с гальвано­метром ГСА-1. Эффективное излучение либо измеряется при по­мощи пиргеометра, либо рассчитывается по данным метеорологи­ческих наблюдений за температурой, влажностью воздуха и облач­ностью (К.Н.Дьяконов и др., 1996. — С. 132— 133).

Радиационный баланс выражает то количество солнечной энер­гии, которое задерживается (поглощается) земной поверхностью, Преимущественно растительностью и почвой. Чрезвычайно инте­ресно проследить дальнейшие пути поглощенной энергии в при-

93







родном комплексе, где она преобразуется в другие виды энергии, главным образом в тепловую и лишь в малой дозе и временно — в химическую энергию органического вещества.