Сущность и история развития ландшафтно-геофизических методов

Геофизические методы – это совокупность приемов, при помощи которых изучаются физические свойства геосистем: процессы обмена веществом, энергией и информацией геосистем с окружающей средой и внутри себя (метаболизм). Геофизические направления пронизывают практически все отраслевые физико-географические дисциплины – геоморфологию, климатологию, метеорологию, гидрологию, гляциологию и т. д. Для научного объяснения гидрологических, метеорологических, геоморфологических процессов представители указанных выше географических наук широко обращаются к законам физики.

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. Однако как отдельное научное направление, геофизический подход оформился во второй половине ХХ века, у его истоков стояли А. А. Григорьев, М. И. Будыко и Д.Л.Арманд.

А.А. Григорьев ещё в 1929 году писал о том, что для изучения механизма процессов, протекающих в природной среде, необходимо 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 процессы тесно взаимосвязаны, и ввел в науку понятие единый физико-географический процесс (1934).

Геофизический подход был применён А.А. Григорьевым и М.И. Будыко при изучении механизмов формирования природных зон. Они установили, что ведущую роль и их формировании играют соотношение поступающей солнечной радиации и атмосферной влаги, определяющее интенсивность ряда при­родных процессов и, прежде всего, биологического круговорота вещества. Эта закономерность была ими выражена в виде одного из основных геофизических показателей природных зон – радиаци­онного индекса сухости (К_с), который представляет собой отноше­ние годового радиационного баланса (R) к годовой сумме осадков (г), умноженной на скрытую теплоту испарения (L):

Изучение изменения индекса сухости в различных природных зонах привело к открытию периодического закона географической зональности.

Таким образом, геофизический метод в комплексной физиче­ской географии первоначально был применен для исследования энергообмена в пределах довольно крупных ПТК (природных зон) ибазировался 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 показателей зависит от длительности и массовости наблюдений, ко­торые могут быть обеспечены лишь стационарными исследовани­ями.

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, давший возможность изучения геосистем низкого ранга. Дополнительный толчок развитию геофизического направле­ния в комплексной физической географии в 70-х гг. дает использо­вание дистанционных методов исследования. Всё это привело к созданию нового направления – геофизики ландшафта (основатель А.Д. Арманд), изучающая различные аспекты функционирования геосистем и их состояний (суточных, сезонных, годовых, многолетних). Под функционирование геосистем понимается вся совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме.

Таким образом, функционирование ПТК состоит из множества элементарных процессов, имеющих физическую, химическую или 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. Это учитывается в рамках геофизики ландшафта, которая изучает ПТК, как функционально целостные объекты.

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. Таким образом, главным подходом к исследованию функцио­нирования ПТК является изучение трех главных его звеньев – влагооборота, минерального обмена и энергообмена.

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 внутри комплекса. При таком подходе теряется сущность и географический смысл протекающих в природе процессов, для познания 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 внутренним массо- и энергообменом ПТК и в целом его функциони­рование даются в виде баланса вещества и энергии. Следовательно, балансовые уравнения ПТК – это средство их физического I описания. Активным сторонником метода балансов в физической географии был Д.Л.Арманд (центральное место у него занимает проблема обмена веществом и энергией между живой и неживой природой). Важное значение этого метода неоднократно подчеркивал и А. А. Григорьев, считавший, что приходо-расходные балансы вещества и энергии являются внеш ним выражением качественных различий физико-географического процесса.

Метод балансов позволяет рассматривать потоки вещества и энергии, поступающие в ПТК и выходящие из него, а также внутренние преобразования и связи процессов внутри комплекса. Недостаток этого метода – неполное отражение сущности природных процессов. Для составления балансов надо знать величины поступления разных видов вещества и энергии в ПТК, их внутреннего обмена, метаболизма и аккумуляции, а также выноса за пределы ПТК. Материалов для расчета баланса конкретных ПТК накоплено еще очень мало, поэтому приходится пока пользоваться не всегда однородными, часто отрывочными или косвенными данными.

Существует также ряд специальных направлений геофизики ландшафтов, изучающие отдельные физические аспекты функционирования геосистем. К ним можно отнести:

– оптику ландшафта – учение о взаимодействии солнечного излучения с геосистемами суши; её значение в том, что по отражательным характеристикам фотографических изображений земной поверхности в разных спектрах длин волн можно судить о территориальном распределении различных свойств ландшафтов – плотности и структуре древостоев, о запасах влаги в поверхностном слое почвы, о степени засоления почв и т. д.;

– радиофизическое направление, объектом изучения которой являются радиогеосистемы – локальные территориальные геосистемы с идентичной по всей своей протяжённости радиоформирующей структурой. Любой элемент ландшафта является источником радиотеплового излучения, в том числе в СВЧ-диапазоне. Потому радиогеосистему следует понимать как одну из моделей ПТК, которая строится на основании радиотеплового излучения конкретных участков земной поверхности.

– направление, изучающее энергетику почвообразования и другие.

Геофизические исследования проводят преимущественно в условиях стационаров, применяя метод сопряжённого анализа.

Дата добавления: 2014-01-07