Особенности аэромассы

Смесь газов, составляющих земную атмосферу, обычно называют воздухом. В
нем различают так называемый «сухой воздух», атмосферную воду и
атмосферные аэрозоли. Кроме того, в воздухе встречаются различные
частички органического происхождения (споры, семена, пыльца, продукты
органического распада).

К атмосферным аэрозолям относятся взвешенные в атмосфере твердые и
жидкие частички: пыль, морская соль, различные дымы (лесных пожаров,
вулканических извержений, индустриального происхождения). Вода,
находящаяся в атмосферном воздухе в виде водяного пара или взвешенных
продуктов конденсации (капель, кристаллов), называется атмосферной
водой.

Частички органического происхождения относятся к биомассам, атмосферные
аэрозоли — это в основном литомассы, а атмосферная вода — гидромассы.
«Сухой воздух» ПТК, т. е. воздух, не содержащий водяного пара, твердых
частичек и частиц органического происхождения, составляет аэромассу.
Газовый состав, плотность и некоторые физические свойства.

Газовый состав атмосферы и физические свойства воздуха детально
рассматриваются в курсах метеорологии, а также физики атмосферы. Поэтому
напомним только то, что основную массу воздуха составляют (% по объему):
азот — 78,084, кислород — 20,946 и аргон — 0,934. Кроме того, в состав
воздуха входят диоксид углерода, неон, гелий, метан, криптон, водород,
озон и др. Такое важное свойство как давление зависит в первую очередь
от высоты местности над уровнем моря, температуры и других
метеорологических условий (скорости и направления ветра, осадков,
облачности). В центре антициклонов наблюдается повышенное давление (до
1078 гПа), а в циклонах — пониженное (до 887 гПа). Кроме того,
существуют суточные колебания давления, связанные с лунными и солнечными
приливами. Плотность воздуха зависит в основном от высоты местности:

Изменение плотности воздуха при подъеме на 1000 м соответствует
изменению плотности при увеличении температуры воздуха на 20—30° С.

Зависимость характеристик от температуры (по ван В.Р. Вийку)Температура,

° СПлотность,кг/м3Скрытая теплотаиспарения 10-6,Дж/кгТеплопроводность-
103, м • град—
51,3162,51324,001,2922,56124,351,2692,48924,6101,2462,47825,0151,2252,46
525,3201,2042,45425,7301,1642,43026,4

Аэромассы и воздушные массы

Аэромассы и воздушные массы не являются синонимами; это, хотя и близкие,
но все же различные понятия.

Воздушными массами в синоптической метеорологии называют относительно
однородные по физическим свойствам части тропосферы, внутри которых
наблюдаются небольшие градиенты температуры и ряда других
метеорологических величин, а изменения этих величин с высотой имеют
определенную закономерность, характерную для данной воздушной массы в
целом. Горизонтальные размеры воздушных масс измеряются тысячами
километров, вертикальные — несколькими километрами.

Согласно термодинамической классификации различают следующие типы.

1. Теплые воздушные массы — устойчивые и неустойчивые.

2. Холодные воздушные массы — устойчивые и неустойчивые.

3. Нейтральные (местные) воздушные массы — устойчивые и неустойчивые.

Географическая классификация воздушных масс основана на географическом
положении очагов формирования воздушных масс. Различают:

1. Арктический или антарктический воздух (АВ).

2. Воздух умеренных широт (УВ), иногда называемый полярным воздухом
(ПВ).

3. Тропический воздух (ТВ).

Каждая из этих воздушных масс делится, в свою очередь, на морскую (м)
или континентальную (к), в зависимости от характера подстилающей
поверхности и очага ее формирования. Иногда дополнительно уточняется
этот очаг, например средиземноморский морской тропический воздух и т. п.

Воздушные массы перемещаются в пространстве и непрерывно изменяются. В
результате трансформации воздушной массы становятся иными температура,
влажность, система конденсации. Трансформация может быть на уровне
крупных регионов (например, Средней Азии, Западной Сибири) и на уровне
отдельных ландшафтов и физико-географических районов. Особый интерес
представляет трансформация воздушных масс на топологическом уровне —
уровне элементарных природно-территориальных комплексов (фаций).
Естественно, что наиболее существенная трансформация происходит именно в
слое, лежащем ниже этой верхней границы. Аэромассы и воздушные массы не
являются синонимами. Сейчас можно уточнить это утверждение. Во-первых,
аэромассы включают в себя только «сухой воздух» без атмосферной воды и
аэрозолей, во-вторых, к аэромассам относятся лишь те части воздушных
масс, которые трансформированы конкретным природно-территориальным
комплексом.

Характеристики различных районах европейской территории в
РоссииХарактеристикиВоздушная масса кАВмАВкУВмУВкТВмТВВертикальная
протяженность, км Средняя температура воздуха в приземном слое, ° С:
январь1—3

– 202—5

-10

-8

-1опопаузы

Не характерен

+ 3июль+ 8+ 10+ 20+ 15+ 25Не характеренГоризонтальная видимость,
км20—50504—1010—202—62—6

Особенности структуры и функциональная роль аэромасс

Аэромассы относятся к аморфным геомассам, так как в них невозможно
невооруженным глазом выделить отдельные элементы.

Из курса микроклиматологии известно, что поверхности раздела с
атмосферой имеют примыкающий к ним тонкий слой воздуха, называемый
ламинарным слоем. Внутри него линии тока воздуха параллельны
поверхности, т. е. ламинарны, нет поперечных компонент скорости и
отсутствует турбулентность. Обмен воздухом через этот слой
осуществляется путем молекулярной диффузии. Выше расположен турбулентный
приземной слой, в котором наблюдается совокупность случайных
беспорядочных завихрений. Из определений ламинарного и турбулентного
слоя вытекает, что каждый из них имеет свою некую «скрытую структуру»,
для обнаружения которой необходимо провести инструментальные наблюдения.
Как известно, все геомассы делятся на инертные, стабильные и активные.
Даже в очень малые промежутки времени, например 1 с, подавляющая часть
аэромасс относится к активным, перемещающимся в пространстве, поэтому ее
функциональная роль в ПТК огромна. Состояние аэромасс, в частности их
температура и скорость ветра, определяет интенсивность целого ряда
процессов, таких, как физическое испарение, транспирация, таяние,
фотосинтез, дыхание, биологическая активность организмов, скорость
минерализации мортмассы и т. д.

Плотность аэромасс практически не влияет на функционирование
природно-территориальных комплексов во всех ландшафтах.

Расчет количества аэромассы в большинстве случаев носит ориентировочный
характер. Это связано с тем, что верхняя граница ПТК, во-первых,
отличается сильной изменчивостью и, во-вторых, в целом ряде ПТК
трудноопределяема. Тем не менее, для сравнения с другими геомассами, а
также для оценки интенсивности трансформации воздушных масс конкретными
природно-территориальными комплексами даже ориентировочные определения
количества аэромассы представляют интерес.

Классификация аэромасс

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что плотность аэромасс не
может быть положена в основу их классификации, так как ее функциональная
роль незначительна. Подразделение на активные, стабильные и инертные
аэромассы из-за абсолютного преобладания активных геомасс также не имеет
смысла. Аэромассы аморфны, и даже если удастся выделить какие-то
структуры, то для их исследования необходимо будет проводить детальные
инструментальные наблюдения. Поэтому использовать эту характеристику для
классификации не стоит. В связи с этим при дифференциации аэромасс
наиболее важными признаны их состав, обусловленный нахождением в
надземной или подземной части ПТК, температура, являющаяся одной из
важнейших характеристик ПТК, и скорость ветра. Некоторое значение имеет
географическое положение очагов формирования воздушных масс
(арктический, полярный, тропический, морской и континентальный воздух).
Но основные свойства этих масс, связанные с географическим положением,
находят свое выражение в характеристиках аэромассы конкретных
природно-территориальных комплексов, хотя и в преломленном
(трансформированном) этими ПТК виде. Поэтому характер воздушных масс
следует учитывать на относительно низком таксометрическом уровне геомасс
— уровне видов аэромасс. Приведем основные градации:

Градации надземных аэромасс по термическим условиям:

Ag — Криотермальные (морозные)

Отрицательные температуры, при которых большинство процессов
функционирования, связанных с влагооборотом и биогеоциклом,
законсервировано или близко к нулю.

An — Нанотермальные (очень прохладные)

Аэромассы с ориентировочным температурным интервалом 0—5° С. В этих
условиях могут функционировать лишь малотребовательные к теплоте
растения, процессы биогенного функционирования большей частью подавлены,
часто бывает интенсивное таяние снега, инфильтрация.

Ak — Микротермальные (прохладные)

Температура воздуха 5—10° С. Эта термическая градация позволяет активно
функционировать лишь травянистым растениям; большинство
древесно-кустарниковых пород либо начинают, либо заканчивают свое
активное функционирование; некоторые процессы влагооборота активны, но
транспирация и испарение относительно низки.

Аz — Мезотермальные (умеренно теплые)

Аэромассы с интервалом температуры 10—15° С. Многие растения активно
функционируют и производят фитомассу (особенно в бореальных ландшафтах);
средняя интенсивность процессов трансформации солнечной энергии и
расходной части влагооборота.

Am — Макротермальные (теплые)

Высокие температуры 15—22° С; максимальная интенсивность биологических
процессов; при прочих благоприятных условиях расходная часть
влагооборота и трансформация солнечной энергии высоки.

At — Мегатермальные (жаркие)

Очень высокие температуры (выше 22° С), избыток теплоты начинает
отрицательно сказываться на процессах биогеоцикла.

Аэромассы, связанные с различной скоростью ветра.

При A и относительно слабом ветре (до 12,4 м/с или 6 баллов по Бофорту)
скорость ветра при обозначении состояния аэромасс не учитывается, так
как горизонтальные перемещения воздуха не оказывают существенного
влияния на функционирование ПТК.

При сильном и очень крепком ветре (12,5—18,2 м/с, 7—8 баллов) ветер уже
оказывает существенное влияние на функционирование ПТК — раскачивает
деревья, значительно увеличивает испарение, перемещает снег и т. п.
Исходя из этого к индексу аэромасс прибавляется значок латерального
перемещения, а градация аэромасс по термическим условиям отступает на
второй план.

При шторме и урагане ветер ломает деревья, вызывает ряд катастрофических
изменений и, таким образом, влияет уже на структуру
природно-территориальных комплексов. Это состояние аэромасс обозначается
А.

Видимо, имеет смысл говорить и о вертикальных перемещениях аэромасс.
Однако если средние скорости ветра у земной поверхности меньше 5—10 м/с,
то вертикальный перенос обычно мал — порядка сантиметров или десятых
долей сантиметра в секунду.

As — Аэромассы в почве

Некоторое количество аэромасс содержится в почве — в порах, не занятых
влагой. Однако их значительно меньше, чем аэромасс в надземной части
вертикального профиля ПТК. Большой интерес представляет изучение
«дыхания почвы» — одного из важнейших процессов функционирования.

Количество аэромассы в разных ПТК

Детальные исследования динамики положения верхней границы фаций путем
анализа распределения параметров, характеризующих аэромассы
(температура, влажность воздуха, скорость ветра), производились в
течение длительного промежутка времени только на Марткопском
физико-географическом стационаре, поэтому наиболее достоверные расчеты
количества аэромассы имеются лишь для предгорно-степных ландшафтов
Центрального Закавказья. Так как рассматриваемые ПТК расположены на
высотах 900—1000 м, плотность аэромасс была принята равной 1,11*10-3
г/см3. Изменение плотности воздуха, связанное с температурой, не
учитывалось.

Анализ динамики количества аэромассы в разных фациях Марткопского
стационара в течение года показывает, что она в основном связана с
состоянием растительного покрова, в частности с его фитомассой. Для
аэромассы характерна значительная разница в их количестве для различных
фаций. Однако эта динамика не повторяет полностью ход кривой количества
фитомассы. Имеются различия. Это объясняется тем, что количество
аэромассы зависит не только от фитомассы, но и их проективного покрытия.
Например, в лощинах с лесными дериватами количество фитомассы изменяется
в течение года сравнительно мало, так как эта динамика связана в
основном с листьями, а они составляют не более 5 % от общей фитомассы. В
то же время листья создают значительное проективное покрытие и,
следовательно, сильно трансформируют воздушные массы. Поэтому разница в
количестве аэромассы увеличивается. В степных и луговых ПТК аэромассы
зависят не только от фитомассы, но и от мортмасс ветоши и подстилки, т.
е. от суммарного количества вещества органического происхождения в
надземной части ПТК. Максимумы и минимумы количества аэромассы часто не
совпадают с аналогичными показателями фитомассы. На положение верхней
границы фации сильно влияет динамика погодных условий. Количество
аэромассы оказывается связанным не только с фитомассой, но и с целым
рядом других факторов.

Расчет количества аэромассы в лесных ПТК вызывает наибольшие сложности.
Это связано с тем, чтореальных определений высоты верхней границы фаций
с лесной растительностью еще никто не производил. В экологической
литературе имеются сведения о наблюдениях на специальных вышках, но они
обычно лишь не намного выше лесного покрова, и поэтому эти данные
непригодны для определения верхней границы. В настоящее время количество
метеорологических вышек, превышающих высоту леса в два раза и более, во
всем мире не больше одного-двух десятков. При этом на них не
производится тот комплекс наблюдений, который позволяет определить
верхнюю границу фаций с лесной растительностью. Поэтому при расчете
количества аэромассы в лесных ПТК приходится удовлетворяться
предположением, что так же, как в ПТК с травянистой, кустарниковой и
низкорослой лесной растительностью, в лесных фациях высота верхней
границы проходит на двукратной высоте наиболее высоких деревьев.

Но как производить расчет аэромасс в тех ПТК, где растительность
отсутствует или играет незначительную роль, т. е. в обнажениях, пустынях
и ледниках? Этот же вопрос относится к тем ПТК, которые зимой полностью
покрыты снегом, т. е. к степным, луговым, полупустынным фациям.
Микроклимат этих ПТК изучен значительно лучше, чем в лесных фациях.
Наблюдения показывают, что верхняя граница ПТК в ясные безветренные дни
проходит на высоте 1—3 м. Соответственно количество аэромассы в этих ПТК
колеблется в пределах 10—35 т/га.

Связь количества аэромассы с мощностью ПТК (природно-территориального
комплекса), плотностью воздуха и скоростью ветра

Прежде чем проанализировать связь аэромассы с другими геомассами,
напомним, что количество аэромассы зависит от плотности воздуха и
мощности (толщины) надземной части вертикального профиля ПТК. Если кроме
«мгновенного» количества рассчитывать еще и количество аэромассы в
какой-то определенный промежуток времени, то к названным факторам
необходимо добавить скорость ветра и интенсивность турбулентного потока.

Как уже отмечалось, плотность воздуха зависит от целого ряда параметров,
но наиболее важными из них являются высота над уровнем моря и
температура. Небольшое изменение турбулентности или скорости ветра
приводит к такому изменению высоты положения этой границы, что
количество аэромассы в том или ином состоянии ПТК может уменьшаться на
20—30%, а при сильном ветре или обильных осадках, даже вдвое.

Таким образом, «мгновенное» количество аэромассы в основном зависит от
положения верхней границы ПТК. Очень существен вклад ветра в реальное
количество аэромассы, находящейся в данном ПТК в какой-либо отрезок
времени. «Мгновенные» (в течение 1 с) количества аэромассы превосходят
фитомассы и гидромассы, но их на 1—3 порядка меньше, чем педомасс и
литомасс в метровом слое, и на 3—5 порядков меньше, чем литомасс в слое
15—20 м. Однако в отличие от литомассы и педомассы, которые в течение
109—1010 с (100— 1000 лет) практически стабильны, аэромассы относятся к
активным геомассам, и их количество быстро меняется. Даже при скорости
ветра всего лишь 1 м/с за 1 сут через ПТК проходит большее количество
воздуха, чем того вещества, которое находится в метровом слое почвы.
Значительный объем воздуха, проходящий через ПТК, определяет высокую
энергию аэромасс и их сильнейшее влияние на остальные геомассы и
состояние как отдельных компонентов, так и природно-территориального
комплекса в целом. При штиле и малых скоростях ветра находящиеся в ПТК
фитомассы и педомассы (а иногда и гидромассы) интенсивно изменяют
свойства воздушных масс — нагревают или охлаждают их, способствуют или
препятствуют вертикальным и горизонтальным перемещениям и в итоге
преобразуют в аэромассы конкретных ПТК. В этом отношении аэромассы можно
сравнить с почвой. Если почва является результатом взаимодействия в
основном растительности и горных пород, то аэромассы опять же в основном
являются результатом взаимодействия воздушных масс с растительностью.
Разница заключается в том, что при формировании почв растительность в
течение длительного времени взаимодействует с одной и той же горной
породой, которая в связи со своей большой массой, намного превосходящей
фитомассу, обладает большой инертностью, и для ее изменения необходимы
сотни и тысячи лет. В случае аэромасс растительность или просто
подстилающая поверхность контактирует с очень мобильным, быстро
изменяющимся во времени компонентом — воздушными массами, имеющими
небольшую массу и поэтому обладающие незначительной инертностью. Часто
аэромассы, находящиеся в состоянии трансформации данным ПТК, еще не
успели приобрести основные свои свойства, начинают вновь
трансформироваться данным ПТК в результате вторжения иных воздушных
масс, причем иногда в противоположном (по сравнению с предыдущими
условиями) направлении.

При малых скоростях ветра происходит существенное изменение температуры
воздуха и других свойств аэромасс до значительной высоты. При больших
скоростях ветра через ПТК проходят большие объемы воздушных масс, и он
как бы не успевает их «переработать» — трансформировать. Поэтому верхняя
граница ПТК в этом случае расположена относительно низко и в отдельные
состояния ПТК проходит на уровне верхушек растений. Эффективность
трансформации воздушных масс природно-территориальным комплексом
определяется не только количеством аэромассы, но и их качественными
изменениями. Эти последние могут быть связаны с колебаниями газового
состава (например, содержания СО2) и ряда метеорологических элементов:
температуры воздуха, скорости ветра, а также плотности воздуха.
Детальные исследования и последующие расчеты позволяют получить ряд
интересных результатов, в частности:

1. Проклассифицировать ПТК и их состояния по силе трансформации
воздушных масс.

2. Сравнить эти значения с геомассами и структурой ПТК и на их основе, а
также по данным о состоянии воздушных масс получить представление о
трансформации, а также определить конкретные температуры воздуха в
разных ПТК и в разных состояниях.

Последний результат связан с решением так называемой обратной задачи по
аэромассе. Прямой задачей в этом случае будет определение по данным
температуры воздуха, скорости ветра и ряда других параметров состояния
аэромасс и расчет показателей эффективности их трансформации. Полученные
таким образом экспериментальные данные позволят установить зависимость
между характеристиками аэромасс и этими показателями.

В связи с сильной изменчивостью положения верхней границы ПТК во времени
и с трудностью или даже невозможностью ее определения для ряда
природно-территориальных комплексов расчет суммарного количества
аэромассы носит в большинстве случаев ориентировочный характер. Тем не
менее определение ее количества позволяет сравнить роль этой геомассы с
другими в структуре и функционировании ПТК, понять
ландшафтно-геофизические особенности аэромасс. Изучение свойств аэромасс
вызывает большие затруднения, во-первых, из-за аморфности и не видимой
невооруженным глазом структуры, во-вторых, в связи с очень большой
лабильностью, связанной с небольшой массой и плотностью и определяемой
ими малой инертностью, и, в-третьих, из-за необходимости длительных
инструментальных исследований, производимых по всему вертикальному
профилю ПТК. Аэромассы относятся к тем геомассам, для которых масса,
плотность и другие характеристики не столь значительны, как их
состояние, определяемое структурой, скоростью ветра, газовым составом,
нахождением в определенных частях ПТК. Аэромассы и их свойства зачастую
связаны не с конкретными, а с весьма удаленными ПТК. Однако чем дольше
находятся аэромассы на конкретной территории, в каком-либо
природно-территориальном комплексе, тем больше они трансформируются. ПТК
образно можно рассматривать как «машину», которая трансформирует
свойства аэромасс. Интенсивность трансформации воздушных масс
увеличивается с уменьшением скорости ветра и увеличением количества
фитомассы. Воздушные массы в ПТК можно рассматривать как зеркальный
аналог почвы. Если почва является в основном результатом взаимодействия
биогенного компонента с горной породой, то аэромассы и их свойства
определяются контактом растительности и воздушных масс. Так же как в
почве, наиболее характерные для нее свойства наблюдаются в
приповерхностном слое, а выше (для почв — ниже) особенности аэромасс
размываются. Исследование аэромасс и их свойств необходимо для решения
так называемых обратных задач, когда по типу воздушных масс, находящихся
в данный момент на данной территории, другим геомассам и характеру
вертикальной структуры ПТК можно без детальных измерений рассчитать
характеристики аэромасс в данном ПТК.

Литература

1.Будыка М.И. Глобальная экология. – М., 1997

2.Дювиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека. – М., 1988

3.Беручашвили Н.Л. Четыре изменения ландшафта. – М., 1986

4.Перельман А.И. Геохимия ландшафта. – М., 1995

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter