Зміст геофізики ландшафту

Геофізика ландшафту – напрямок ландшафтознавства, який вивчає фізичні властивості, процеси та явища у ландшафтних комплексах. Як і в науковому ландшафтознавстві, її об’єктом є ландшафтні комплекси різних типів і рангів. Предметом геофізики ландшафту є ті сторони та прояви ландшафтних комплексів, які описуються й пояснюються через їх властивості як фізичних тіл.

Отже, з усієї множини проявів і якостей ландшафту як цілісного феномену геофізика ландшафту зосереджується на пізнанні його фізичної сутності. Це не означає, що морально-етичні цінності ландшафту, соціальні процеси та органічне життя у ньому геофізика ландшафту намагається пояснити через закони фізики. Вона лише претендує на те, щоби за допомогою методів фізики, її законів та інших теоретичних досягнень дослідити ті риси ландшафту, які визначаються насамперед його речовинністю, потоками енергії у ньому та впливом фізичних полів на перебіг процесів у ландшафті. Таким чином, геофізика ландшафту в якості предмету своїх досліджень виокремлює з ландшафту, як об’єкту ті його властивості та риси, що мають фізичну природу, а інші його об’єктивні риси й властивості є предметом дослідження інших наукових розділів ландшафтознавства – геохімії, екології, естетики ландшафту та ін.

Н. Беручашвілі (1990) наголошує, що геофізика ландшафту є одним із розділів ландшафтознавства, а не пограничною з геофізикою науковою дисципліною. Цей розділ має власний предмет і методи дослідження й лише при вирішенні деяких задач вдається до використання методів сейсмології, гравіметрії та деяких інших розділів геофізики. При цьому ці методи здебільшого застосовуються при дослідженні фізичних процесів і явищ, які протікають не власне у ландшафті, а значно нижче його нижньої межі.

О

Основні напрямки досліджень

сновними напрямами сучасної геофізики ландшафту є вивчення геофізичних балансів, що складаються у ландшафтному комплексі, дослідження його фізичної будови та з'ясування впливу на ландшафт геофізичних полів.

Балансовий підхід у геофізиці ландшафту запроваджувався О. Григор'євим, Д. Армандом, М. Будико, М. Львовичем та ін. Він дозволяє розглядати потоки речовини та енергії на вході та виході ландшафту, внутрішні перетворення та взаємозв’язок його компонентів. Основними типами балансів ландшафтних комплексів є радіаційний, тепловий, водний баланс і баланс речовин. Крім балансів геофізика ландшафті вивчає також і окремі фізичні режими ландшафтних комплексів, серед яких найбільш важливим вважається водний.

Радіаційний баланс описує джерела надходження, витрат і перерозподіл між складовими ландшафтного комплексу енергії. Основне рівняння радіаційного балансу виглядає так:

R=(I+S)(1-A) – E_еф

де: R – радіаційний баланс ландшафтного комплексу; І – пряма сонячна радіація; S – розсіяна сонячна радіація; A – альбедо; E_еф – ефективне довгохвильове випромінення.

Найбільш динамічним і таким, що має ландшафтну природу, є альбедо ландшафтного комплексу. Значення цього параметру змінюються протягом року і сильно залежать від господарської діяльності людини. Так, розорювання поверхні призводить до збільшення альбедо в 2 рази, що істотно впливає на радіаційний баланс в цілому. При зміні альбедо спостерігається зміни у мікрокліматі та місцевому кліматі ландшафтних комплексів.

Тепловий баланс описує перерозподіл тепла у ландшафтному комплексі та його витрати у зовнішнє середовище. Рівняння теплового балансу має вигляд:

R=L(E+T)+P+A_n+F+B_z –LC

де: R – тепловий баланс; L – прихована теплота пароутворення; E – фізичне випаровування; T – транспірація; P – витрати тепла на турбулентний обмін з атмосферою; A_n – потік тепла в ґрунт та з ґрунту; F – витрати тепла на фотосинтез; B_z – тепловий стік; LC – тепло, що виділяється при конденсації водяної пари.

Важливим є вивчення структури теплового балансу ландшафтних комплексів. У геофізиці ландшафту її прийнято аналізувати за допомогою показників, які оцінюють співвідношення між окремими статтями теплового балансу. Найбільш важливими з них є LE/R, Р/R, LE/Р. Ці ландшафтно-геофізичні показники називають показниками структури теплового балансу.

Водний баланс розглядається як інтеграційний механізм ландшафтних територіальних структур потокових типів. Його рівняння має вигляд:

X₁=X₂+r=S_В+S_n+U+E+T+B_X+g+W,

де: X₁ – атмосферні опади у рідинній фазі; X₂ – опади у вигляді снігу; r – роса; S_В – поверхневий весняний стік; S_n – внутрішній ґрунтовий стік; U – підземний стік; E – фізичне випаровування; T – транспірація; B_X – акумуляція вологи у прирості біомаси; g – фільтраційний потік води; W – зміни вологозапасів в ґрунті за час, на який складається баланс; Z – сумарний річний стік, або інтегральний стік із замикаючого створу ландшафтного комплексу.

Дослідження складових водного балансу ландшафтних комплексів важливе для прийняття рішень щодо їх меліорації, можливостей використання у сільському, водному господарстві тощо.

Від водного балансу слід відрізняти водний режим ландшафтного комплексу. Він визначається режимом живлення, водно-фізичними властивостями ґрунтів і порід зони аерації, характером рослинного покриву та кутом нахилу земної поверхні. Тип водного режиму є важливим показником ландшафтного комплексу, оскільки визначає багато його динамічних особливостей. За О. Роде, виділяються наступні типи водного режиму – мерзлий, промивний з підтипами тайгового, напівболотного, болотного та ін, періодично промивний з підтипами лісостепового та степового, непромивний, випітний з підтипами лучно-степовий, лучний, власне випітний. Водний режим ландшафтних комплексів змінюється протягом року.

Баланс речовини описує рух речовин у ландшафтному комплексі. Його загальне рівняння має вигляд:

M_x+M_p+M_T+G=H_n+H_s+H_u+H_p+H_r+H_g,

де: M_x – прихід речовини з атмосферними опадами; M_p – те саме з водними потоками; M_T – прихід речовини автохтонного походження з тектонічними рухами; G – прихід або виніс речовини з підземними водами; H_n – виніс речовини з поверхневим стоком; H_s – те саме – з внутрішнім ґрунтовим стоком; H_u – те саме – з підземним стоком; H_p – те саме повітряними масами; H_r – те саме з транспірацією; H_g – виніс речовини гравітаційними (обвально-осипними та ін.) потоками.

Дане рівняння має загальний характер, оскільки не існує ландшафтного комплексу, в якому б знайшли відображення всі перелічені складові балансу речовини. Слід також вказати, що в рівняння балансу речовини не врахований водний баланс. Хоча вода є речовиною, однак з огляду на її особливе значення у функціонуванні ландшафту, її потоки та відповідні рівняння аналізуються в геофізиці ландшафту окремо.

Тепловий, водний та баланс речовин у ландшафті пов'язані між собою, що й становить фізичну основу цілісності ландшафтного комплексу. Завдяки дослідженням М. Будико, О. Будаговського та ін. ці залежності вдалося описати математично.

Дослідження фізичної будови ландшафтних комплексів. Школою геофізики ландшафту Н. Беручашвілі розроблений підхід до вивчення ландшафту, в основі якого лежить поняття геомаси (див. § 3.2). Геомаса розглядається як елементарна однорідна за фізичними властивостями частина вертикальної структуру ландшафтного комплексу. Її ландшафтно-геофізичний зміст і значення полягає у тому, що будь який вид геомас (фітомаси, літомаси, гідромаси та ін.) описуються одними й тими самими фізичними показниками – масою, щільністю, температурою, текстурою тощо.

Це дозволяє не тільки порівнювати геомаси за їх роллю у структурі ландшафтного комплексу, але й описувати його функціонування та сезонну динаміку в єдиних показниках. Наприклад, функціонування ландшафту, як сукупність процесів обміну й трансформації речовини та енергії у ньому (див. § 4.2), досліджується за допомогою змін геомас. Для цього корисним є поняття елементарного процесу функціонування ландшафтного комплексу. До елементарних відносяться процеси, які зумовлені трьома факторами: переміщенням геомас у просторі, зміною кількості геомас, трансформацією геомасою потоків енергії. За такого підходу будь-який елементарний процес у ландшафтному комплексі можна пов'язати або зі зміною кількості чи положенням геомас, або з їх впливом на потоки енергії.

Наприклад, випадіння опадів розглядається як перехід гідромас в атмосфері з стабільного стану в активний. Графічно цей процес зображається індексом Н_р↓↓. Утворення та накопичення снігового покриву означає збільшення кількості снігових геомас і описується як Н_n↑. Опадання зеленого листя означає зменшення кількості зеленої фітомаси (Pi), її перехід у мортмасу (Mm) та збільшення її кількості. Ця група пов’язаних процесів описується як Pi →Mm↑.

Дослідження геофізичних полів. В сучасній геофізиці ландшафту значна увага приділяється вивченню впливу геофізичних полів на структуру та динаміку ландшафту. Хоча поняття поля належить до числа загальнонаукових і в своїх різних значеннях застосовується в науковому ландшафтознавстві, у геофізиці ландшафту вивчаються фізичні поля Землі, які впливають на ландшафт.

З точки зору геофізики ландшафту Земля має чотири геопотенційних поля: гравітаційне, магнітне, атмосферно-електричне та електричне. Основними характеристиками цих полів є їх напруженість та потенціал, а важливими похідними від них є різниця потенціалів, градієнт, сила, дифузія та деякі інші. Дві властивості геопотенційних полів мають особливе значення для формування та функціонування ландшафту: 1 – можливість фізичного впливу полів на переміщення речовини у ландшафті; 2 – неоднорідність геопотенційного поля, що призводить до різного його впливу на ландшафт у його різних місцях. Обидві ці властивості геопотенційних полів спричиняють формування специфічних ландшафтних комплексів і їх певних конфігурацій.

Наприклад, виникнення та розвиток ландшафтних комплексів еолових акумулятивних форм контролюється електростатичним полем Землі. В Пазинич довів, що під час переносу піску вітром між швидкістю та масою піску встановлюється динамічна рівновага. При проходженні цим потоком локальної електростатичної аномалії (ЛЕА) до цих двох врівноважених сил додається третя сила – електростатична. Вона виникає в результаті взаємодії електричних зарядів піщинок з ЛЕА. Через це відбувається порушення рівноваги, що й веде до осадження частини піщаного матеріалу з потоку на поверхню.

Отже, якщо гравітаційні та аеродинамічні сили, що породжуються гравітаційним і баричним полями, визначають переміщення піску вітром і розвиток еолових процесів у цілому, то дія електростатичних сил на цей процес виявляється локалізованою у межах аномалій електростатичного поля. Вона й призводить до осідання на поверхні частини піщаного матеріалу, що поступово й формує еолово-акумулятивні ландшафтні комплекси, зокрема піщані дюни.

Сучасна геофізика ландшафту – науковий напрям, який став досить розгалуженим. В його межах виокремлюються оптика ландшафту (Є. Крінов, Ю. Точельников), теплофізика ландшафту (О. Григор'єв, О. Павлов), радіофізика ландшафту (В. Некос), біогеофізика ландшафту (Е. Хільмі) та ін.