Особливості аеромасси

Особливості аеромасси

Суміш газів, що складають земну атмосферу, зазвичай називають повітрям. У ньому розрізняють так званий «сухий повітря», атмосферну воду й атмосферні аерозолі. Крім того, в повітрі зустрічаються різні частинки органічного походження (спори, насіння, пилок, продукти органічного розпаду).

До атмосферних аерозолів відносяться зважені в атмосфері тверді і рідкі частинки: пил, морська сіль, різні дими (лісових пожеж, вулканічних вивержень, індустріального походження). Вода, що знаходиться в атмосферному повітрі у вигляді водяної пари або зважених продуктів конденсації (крапель, кристалів), називається атмосферною водою.

Частинки органічного походження відносяться до біомаси, атмосферні аерозолі - це в основному літомасси, а атмосферна вода - гідромаси. «Сухе повітря» ПТК, тобто повітря, не містить водяної пари, твердих частинок і частинок органічного походження, становить аеромассу. Газовий склад, щільність і деякі фізичні властивості.

Газовий склад атмосфери і фізичні властивості повітря детально розглядаються в курсах метеорології, а також фізики атмосфери. Тому нагадаємо тільки те, що основну масу повітря складають (% за об'ємом): азот - 78,084, кисень - 20,946 і аргон - 0,934. Крім того, в склад повітря входять діоксид вуглецю, неон, гелій, метан, криптон, водень, озон і ін Таке важливе властивість як тиск залежить в першу чергу від висоти місцевості над рівнем моря, температури та інших метеорологічних умов (швидкості та напрямку вітру , опадів, хмарності). У центрі антициклонів спостерігається підвищений тиск (до 1078 гПа), а в циклонах - знижений (до 887 гПа). Крім того, існують добові коливання тиску, пов'язані з місячними і сонячними припливами. Щільність повітря залежить в основному від висоти місцевості:

Зміна щільності повітря при підйомі на 1000 м відповідає зміні щільності при збільшенні температури повітря на 20-30 ° С.

Аеромасси і повітряні маси

Аеромасси і повітряні маси не є синонімами; це, хоч і близькі, але все ж різні поняття.

Повітряними масами в синоптичної метеорології називають відносно однорідні за фізичними властивостями частини тропосфери, всередині яких спостерігаються невеликі градієнти температури та ряду інших метеорологічних величин, а зміни цих величин з висотою мають певну закономірність, характерну для даної повітряної маси в цілому. Горизонтальні розміри повітряних мас вимірюються тисячами кілометрів, вертикальні - кількома кілометрами.

Згідно термодинамічної класифікації розрізняють такі типи.

1. Теплі повітряні маси - стійкі і нестійкі.

2. Холодні повітряні маси - стійкі і нестійкі.

3. Нейтральні (місцеві) повітряні маси - стійкі і нестійкі.

Географічна класифікація повітряних мас заснована на географічному положенні вогнищ формування повітряних мас. Розрізняють:

1. Арктичний або антарктичний повітря (АВ).

2. Повітря помірних широт (УВ), іноді званий полярним повітрям (ПВ).

3. Тропічне повітря (ТБ).

Кожна з цих повітряних мас ділиться, у свою чергу, на морську (м) або континентальну (к), в залежності від характеру підстилаючої поверхні і вогнища її формування. Іноді додатково уточнюється це вогнище, наприклад середземноморський морське тропічне повітря і т. п.

Повітряні маси переміщуються в просторі і безупинно змінюються. У результаті трансформації повітряної маси стають іншими температура, вологість, система конденсації. Трансформація може бути на рівні великих регіонів (наприклад, Середньої Азії, Західного Сибіру) і на рівні окремих ландшафтів та фізико-географічних районів. Особливий інтерес представляє трансформація повітряних мас на топологічному рівні - рівні елементарних природно-територіальних комплексів (фацій). Природно, що найбільш суттєва трансформація відбувається саме в шарі, що лежить нижче цієї верхньої межі. Аеромасси і повітряні маси не є синонімами. Зараз можна уточнити це твердження. По-перше, аеромасси включають в себе тільки «сухе повітря» без атмосферної води та аерозолів, по-друге, до аеромассам відносяться лише ті частини повітряних мас, які трансформовані конкретних природно-територіальним комплексом.

Особливості структури і функціональна роль аеромасс

Аеромасси відносяться до аморфних геомассам, так як в них неможливо неозброєним оком виділити окремі елементи.

З курсу мікрокліматологіі відомо, що поверхні розділу з атмосферою мають примикає до них тонкий шар повітря, званий ламінарним шаром. Всередині нього лінії струму повітря паралельні поверхні, тобто ламінарний, немає поперечних компонент швидкості і відсутня турбулентність. Обмін повітрям через цей шар здійснюється шляхом молекулярної дифузії. Вище розташований турбулентний приземний шар, в якому спостерігається сукупність випадкових безладних завихрень. З визначень ламінарного та турбулентного шару випливає, що кожен з них має свою певну «приховану структуру», для виявлення якої необхідно провести інструментальні спостереження. Як відомо, всі геомасси діляться на інертні, стабільні й активні. Навіть у дуже малі проміжки часу, наприклад 1 с, переважна частина аеромасс відноситься до активних, переміщається в просторі, тому її функціональна роль в ПТК величезна. Стан аеромасс, зокрема їх температура і швидкість вітру, визначає інтенсивність цілого ряду процесів, таких, як фізична випаровування, транспірація, танення, фотосинтез, дихання, біологічна активність організмів, швидкість мінералізації мортмасси і т. д.

Щільність аеромасс практично не впливає на функціонування природно-територіальних комплексів у всіх ландшафтах.

Розрахунок кількості аеромасси в більшості випадків носить орієнтовний характер. Це пов'язано з тим, що верхня межа ПТК, по-перше, відрізняється сильною мінливістю і, по-друге, в цілому ряді ПТК трудноопределяема. Тим не менше, для порівняння з іншими геомассамі, а також для оцінки інтенсивності трансформації повітряних мас конкретними природно-територіальними комплексами навіть орієнтовні визначення кількості аеромасси представляють інтерес.

Класифікація аеромасс

Наведені вище дані свідчать про те, що щільність аеромасс не може бути покладена в основу їх класифікації, так як її функціональна роль незначна. Підрозділ на активні, стабільні та інертні аеромасси через абсолютне панування активних геомасс також не має сенсу. Аеромасси аморфні, і навіть якщо вдасться виділити якісь структури, то для їх дослідження необхідно буде проводити детальні інструментальні спостереження. Тому використовувати цю характеристику для класифікації не варто. У зв'язку з цим при диференціації аеромасс найбільш важливими визнані їх склад, обумовлений знаходженням в надземній або підземної частини ПТК, температура, що є однією з найважливіших характеристик ПТК, і швидкість вітру. Деяке значення має географічне положення осередків формування повітряних мас (арктичний, полярний, тропічний, морський і континентальний повітря). Але основні властивості цих мас, пов'язані з географічним положенням, знаходять своє вираження в характеристиках аеромасси конкретних природно-територіальних комплексів, хоча і в переломленому (трансформованому) цими ПТК вигляді. Тому характер повітряних мас слід враховувати на відносно низькому рівні таксометріческом геомасс - рівні видів аеромасс. Наведемо основні градації:

Градації надземних аеромасс по термічним умовам:

Ag - Кріотермальние (морозні)

Негативні температури, при яких більшість процесів функціонування, пов'язаних з влагооборота і біогеоціклом, законсервовано чи близько до нуля.

An - Нанотермальние (дуже прохолодні)

Аеромасси з орієнтовним температурним інтервалом 0-5 ° С. У цих умовах можуть функціонувати лише маловимогливих до теплоти рослини, процеси біогенного функціонування здебільшого пригнічені, часто буває інтенсивне танення снігу, інфільтрація.

Ak - Мікротермальние (прохолодні)

Температура повітря 5-10 ° С. Ця термічна градація дозволяє активно функціонувати лише трав'янистим рослинам; більшість деревно-чагарникових порід або починають, або закінчують своє активне функціонування; деякі процеси влагооборота активні, але транспірація і випаровування відносно низькі.

А z - Мезотермальние (помірно теплі)

Аеромасси з інтервалом температури 10-15 ° С. Багато рослин активно функціонують і виробляють фітомаси (особливо в бореальних ландшафти); середня інтенсивність процесів трансформації сонячної енергії та видаткової частини влагооборота.

Am - Макротермальние (теплі)

Високі температури 15-22 ° С; максимальна інтенсивність біологічних процесів; за інших сприятливих умовах видаткова частина влагооборота і трансформація сонячної енергії високі.

At - Мегатермальние (жаркі)

Дуже високі температури (вище 22 ° С), надлишок теплоти починає негативно позначатися на процесах біогеоцікла.

Аеромасси, пов'язані з різною швидкістю вітру.

При A і відносно слабкому вітрі (до 12,4 м / с або 6 балів за Бофорта) швидкість вітру при позначенні стану аеромасс не враховується, оскільки горизонтальні переміщення повітря не роблять істотного впливу на функціонування ПТК.

При сильному і дуже міцному вітрі (12,5-18,2 м / с, 7-8 балів) вітер вже робить істотний вплив на функціонування ПТК - розгойдує дерева, значно збільшує випаровування, переміщує сніг і т. п. Виходячи з цього до індексом аеромасс додається значок латерального переміщення, а градація аеромасс по термічним умов відступає на другий план.

При штормі і урагані вітер ламає дерева, викликає ряд катастрофічних змін і, таким чином, впливає вже на структуру природно-територіальних комплексів. Цей стан аеромасс позначається А.

Мабуть, має сенс говорити і про вертикальних переміщеннях аеромасс. Однак якщо середні швидкості вітру в земної поверхні менше 5-10 м / с, то вертикальний перенесення звичайно малий - порядку сантиметрів чи десятих часток сантиметра в секунду.

As - Аеромасси в грунті

Деяка кількість аеромасс міститься в грунті - в порах, не зайнятих вологою. Проте їх значно менше, ніж аеромасс в надземній частині вертикального профілю ПТК. Великий інтерес представляє вивчення «дихання грунту» - одного з найважливіших процесів функціонування.

Кількість аеромасси в різних ПТК

Детальні дослідження динаміки положення верхньої межі фацій шляхом аналізу розподілу параметрів, що характеризують аеромасси (температура, вологість повітря, швидкість вітру), здійснювалися протягом тривалого проміжку часу тільки на Марткопском фізико-географічному стаціонарі, тому найбільш достовірні розрахунки кількості аеромасси є лише для передгірно-степових ландшафтів Центрального Закавказзя. Так як розглянуті ПТК розташовані на висотах 900-1000 м, щільність аеромасс була прийнята рівною 1,11 * 10 ^-3 г / см ^3. Зміна щільності повітря, пов'язане з температурою, не враховувалося.

Аналіз динаміки кількості аеромасси в різних фації Марткопского стаціонару протягом року показує, що вона в основному пов'язана зі станом рослинного покриву, зокрема з його фітомаси. Для аеромасси характерна значна різниця в їх кількості для різних фацій. Проте ця динаміка не повторює повністю хід кривої кількості фітомаси. Є відмінності. Це пояснюється тим, що кількість аеромасси залежить не тільки від фітомаси, але і їх проективного покриття. Наприклад, в потоках з лісовими дериватами кількість фітомаси змінюється протягом року порівняно мало, тому що ця динаміка пов'язана в основному з листям, а вони складають не більше 5% від загальної фітомаси. У той же час листя створюють значну проективне покриття і, отже, сильно трансформують повітряні маси. Тому різниця в кількості аеромасси збільшується. У степових і лугових ПТК аеромасси залежать не тільки від фітомаси, але і від мортмасс дрантя і підстилки, тобто від сумарної кількості речовини органічного походження в надземній частині ПТК. Максимуми і мінімуми кількості аеромасси часто не збігаються з аналогічними показниками фітомаси. На положення верхньої межі фації сильно впливає динаміка погодних умов. Кількість аеромасси виявляється пов'язаним не тільки з фітомаси, але й з цілим рядом інших факторів.

Розрахунок кількості аеромасси в лісових ПТК викликає найбільші труднощі. Це пов'язано з тим, чтореальних визначень висоти верхньої межі фацій з лісовою рослинністю ще ніхто не проводив. В екологічній літературі є відомості про спостереження на спеціальних вишках, але вони зазвичай лише не набагато вище лісового покриву, і тому ці дані непридатні для визначення верхньої межі. В даний час кількість метеорологічних вишок, що перевищують висоту лісу в два рази і більше, в усьому світі не більше одного-двох десятків. При цьому на них не проводиться той комплекс спостережень, який дозволяє визначити верхню межу фацій з лісовою рослинністю. Тому при розрахунку кількості аеромасси в лісових ПТК доводиться задовольнятися припущенням, що так само, як в ПТК з трав'янистою, чагарникової і низькорослої лісовою рослинністю, у лісових фації висота верхньої межі проходить на дворазової висоті найбільш високих дерев.

Але як проводити розрахунок аеромасс в тих ПТК, де рослинність відсутня або грає незначну роль, тобто у відслоненнях, пустелях і льодовиках? Це ж питання відноситься до тих ПТК, які взимку повністю покриті снігом, тобто до степових, луговим, напівпустельним фаціям. Мікроклімат цих ПТК вивчений значно краще, ніж у лісових фації. Спостереження показують, що верхня межа ПТК в ясні безвітряні дні проходить на висоті 1-3 м. Відповідно кількість аеромасси в цих ПТК коливається в межах 10-35 т / га.

Зв'язок кількості аеромасси з потужністю ПТК (природно-територіального комплексу), щільністю повітря та швидкістю вітру

Перш ніж проаналізувати зв'язок аеромасси з іншими геомассамі, нагадаємо, що кількість аеромасси залежить від щільності повітря і потужності (товщини) надземної частини вертикального профілю ПТК. Якщо крім «миттєвого» кількості розраховувати ще й кількість аеромасси в якийсь певний проміжок часу, то до названих чинників необхідно додати швидкість вітру та інтенсивність турбулентного потоку.

Як вже зазначалося, щільність повітря залежить від цілого ряду параметрів, але найбільш важливими з них є висота над рівнем моря і температура. Невелика зміна турбулентності або швидкості вітру приводить до такої зміни висоти положення цієї межі, що кількість аеромасси в тому чи іншому стані ПТК може зменшуватися на 20-30%, а при сильному вітрі або рясних опадах, навіть удвічі.

Таким чином, «миттєве» кількість аеромасси в основному залежить від положення верхньої межі ПТК. Дуже важливим є внесок вітру в реальну кількість аеромасси, що знаходиться в даному ПТК у якийсь відрізок часу. «Миттєві» (протягом 1 с) кількості аеромасси перевершують фітомаси та гідромаси, але їх на 1-3 порядки менше, ніж педомасс і літомасс в метровому шарі, і на 3-5 порядків менше, ніж літомасс в шарі 15-20 м. Однак на відміну від літомасси і педомасси, які протягом 10 ⁹ -10 ¹⁰ с (100 - 1000 років) практично стабільні, аеромасси відносяться до активних геомассам, і їх кількість швидко змінюється. Навіть при швидкості вітру всього лише 1 м / с за 1 добу через ПТК проходить більша кількість повітря, ніж тієї речовини, яка знаходиться в метровому шарі грунту. Значний об'єм повітря, що проходить через ПТК, визначає високу енергію аеромасс та їх сильний вплив на решту геомасси і стан як окремих компонентів, так і природно-територіального комплексу в цілому. При штилі і малих швидкостях вітру знаходяться в ПТК фітомаси та педомасси (а іноді і гідромаси) інтенсивно змінюють властивості повітряних мас - нагрівають або охолоджують їх, сприяють або перешкоджають вертикальним і горизонтальним переміщенням і в підсумку перетворять в аеромасси конкретних ПТК. У цьому відношенні аеромасси можна порівняти з грунтом. Якщо грунт є результатом взаємодії в основному рослинності і гірських порід, то аеромасси знову ж таки в основному є результатом взаємодії повітряних мас з рослинністю. Різниця полягає в тому, що при формуванні грунтів рослинність протягом тривалого часу взаємодіє з однією і тією ж гірською породою, яка у зв'язку зі своєю великою масою, що набагато перевершує фітомаси, володіє великою інертністю, і для її зміни необхідні сотні і тисячі років. У разі аеромасс рослинність або просто подстилающая поверхню контактує з дуже мобільним, які швидко змінюються в часі компонентом - повітряними масами, що мають невелику масу і тому володіють незначною інертністю. Часто аеромасси, що перебувають у стані трансформації даними ПТК, ще не встигли придбати основні свої властивості, починають знову трансформуватися даними ПТК у результаті вторгнення інших повітряних мас, причому іноді в протилежному (в порівнянні з попередніми умовами) напрямку.

При малих швидкостях вітру відбувається суттєва зміна температури повітря та інших властивостей аеромасс до значної висоти. При великих швидкостях вітру через ПТК проходять великі обсяги повітряних мас, і він як би не встигає їх «переробити» - трансформувати. Тому верхня межа ПТК у цьому випадку розташована відносно низько і в окремі стани ПТК проходить на рівні верхівок рослин. Ефективність трансформації повітряних мас природно-територіальним комплексом визначається не тільки кількістю аеромасси, але і їх якісними змінами. Ці останні можуть бути пов'язані з коливаннями газового складу (наприклад, вмісту СО ₂₎ і ряду метеорологічних елементів: температури повітря, швидкості вітру, а також щільності повітря. Детальні дослідження і наступні розрахунки дозволяють отримати ряд цікавих результатів, зокрема:

1. Проклассифицировать ПТК та їх стану за силою трансформації повітряних мас.

2. Порівняти ці значення з геомассамі і структурою ПТК і на їх основі, а також за даними про стан повітряних мас отримати уявлення про трансформації, а також визначити конкретні температури повітря в різних ПТК і в різних станах.

Останній результат пов'язаний з рішенням так званої зворотного завдання по аеромассе. Прямим завданням в цьому випадку буде визначення за даними температури повітря, швидкості вітру і ряду інших параметрів стану аеромасс і розрахунок показників ефективності їх трансформації. Отримані таким чином експериментальні дані дозволять встановити залежність між характеристиками аеромасс і цими показниками.

У зв'язку з сильною мінливістю положення верхньої межі ПТК у часі й з труднощами або навіть неможливістю її визначення для ряду природно-територіальних комплексів розрахунок сумарної кількості аеромасси носить в більшості випадків орієнтовний характер. Тим не менш визначення її кількості дозволяє порівняти роль цієї геомасси з іншими в структурі та функціонуванні ПТК, зрозуміти ландшафтно-геофізичні особливості аеромасс. Вивчення властивостей аеромасс викликає великі труднощі, по-перше, через аморфність і не видимої неозброєним оком структури, по-друге, у зв'язку з дуже великою лабільністю, пов'язаної з невеликою масою і щільністю і визначається ними малої інертністю, і, по-третє , через необхідність тривалих інструментальних досліджень, що провадяться по всьому вертикальному профілю ПТК. Аеромасси відносяться до тих геомассам, для яких маса, щільність і інші характеристики не настільки значні, як їх стан, визначається структурою, швидкістю вітру, газовим складом, знаходженням в певних частинах ПТК. Аеромасси та їх властивості часто пов'язані не з конкретними, а з досить віддаленими ПТК. Однак чим довше знаходяться аеромасси на конкретній території, в будь-якому природно-територіальному комплексі, тим більше вони трансформуються. ПТК образно можна розглядати як «машину», яка трансформує властивості аеромасс. Інтенсивність трансформації повітряних мас збільшується зі зменшенням швидкості вітру і збільшенням кількості фітомаси. Повітряні маси в ПТК можна розглядати як дзеркальний аналог грунту. Якщо грунт є в основному результатом взаємодії біогенного компонента з гірською породою, то аеромасси та їх властивості визначаються контактом рослинності і повітряних мас. Так само як в грунті, найбільш характерні для неї властивості спостерігаються в приповерхневому шарі, а вище (для грунтів - нижче) особливості аеромасс розмиваються. Дослідження аеромасс та їх властивостей необхідно для вирішення так званих обернених задач, коли за типом повітряних мас, що знаходяться в даний момент на даній території, іншим геомассам і характеру вертикальної структури ПТК можна без детальних вимірювань розрахувати характеристики аеромасс в даному ПТК.

Література

1.Будика М.І. Глобальна екологія. - М., 1997

2.Дювіньо П., Танг М. Біосфера і місце в ній людини. - М., 1988

3.Беручашвілі Н.Л. Чотири зміни ландшафту. - М., 1986

4.Перельман А.І. Геохімія ландшафту. - М., 1995