Лекции по общей геокриологии 6 Влияние природных факторов
реклама
Общая геокриология Courtesy of The NCEP/NCAR Reanalysis Project Каждая наука имеет свою методологию. Основой методологии геокриологии, изучающей криолитосферу, т.е. область отрицательных температур в литосфере, является следующее (закон всеобщей связи и причинности): Мерзлые породы Природная среда Методология геокриологии включает также принцип «все течет, все изменяется...» (Гераклит, 6 в. до н.э.) Поэтому важна не «фотография» (В.А.Кудрявцев) природы, а закономерности ее развития Ладшафтно-ключевой метод Ладшафтно-ключевой метод один из наиболее используемых в геокриологии Ладшафтно-ключевой метод мерзлые породы Важно использование математики: Важно также не уходить с математикой в потусторонний мир Влияние ландшафтно-климатических факторов на температурный режим и глубины сезонного промерзания и сезонного протаивания пород Tв T-? Известна температура воздуха, она и является исходной для расчета температур горных пород Влияние рельефа Поскольку температура воздуха понижается с увеличением высоты местности примерно на 0,4—0,60С на каждые 100 м, соответственно понижается и среднегодовая температура пород (tср). Исключением являются районы с инверсионным распределением температур воздуха (Якутия, Забайкалье и др.). В этих районах температура воздуха в долинах рек и днищах межгорных котловин часто бывает ниже, чем на окружающих низкогорных междуречьях. В горных районах с изменением высоты рельефа связано различие состава отложений и их влажности, изменяются мощность снежного покрова, сплошность и видовой состав растительности и т.д., т.е. происходит изменение всех классификационных показателей типов сезонного промерзания (оттаивания) пород. На формирование tср оказывает влияние экспозиция и крутизна склонов. В основном это проявляется через количество приходящей и поглощенной этими поверхностями солнечной радиации. Понижение tср и сокращение Ап в зависимости от экспозиции (при прочих равных условиях) происходит в направлении от южных, юго-западных к северо-восточным и северным. Разность tср и Ап на склонах южной и северной экспозиций определяется в основном различием в летних температурах воздуха, поскольку зимой при малом поступлении энергии склоны охлаждаются одинаково . Летнее нагревание оказывается более сильным на южных склонах. В связи с этим на северных склонах глубина сезонного оттаивания меньше. Исключение составляют лишь районы высоких (заполярных) широт, где глубина сезонного оттаивания пород на склонах северной и южной экспозиций примерно одинакова. Это связано с тем, что в течение полярной ночи солнечная радиация вообще отсутствует, а в течение полярного дня солнце движется по кругу, невысоко поднимаясь над горизонтом, и более или менее равномерно обогревает Влияние крутизны склонов на температурный режим пород проявляется через различный угол падения солнечных лучей и через их затененность друг другом, т.е. через различное количество радиации, поглощенной поверхностью склонов. Более высокие температуры пород в летний период характерны для склонов, перпендикулярных к солнечным лучам (около 30о), что обеспечивает большую глубину сезонного оттаивания пород на них, в то время как глубины сезонного промерзания оказываются примерно такими же, как на пологих склонах, поскольку зимнее охлаждение их различается незначительно. При этом следует учитывать, что влияние крутизны склонов, так же как и экспозиции, на температурный режим пород может осложняться и другими факторами, например, неодинаковым распределением снежного покрова, различиями в растительном покрове, разной влажностью отложений и т.д., что затушевывает проявление рассматриваемых закономерностей в чистом виде. Распределение температур летом H T Холодный R-E=Rn – воздух Суммарная радиация положительна LE Испарение – конденсация Конвективный Фазовые теплообмен переходы Тепловой поток в недра Количественно влияние экспозиции и крутизны склонов на температурный режим пород может быть оценено через радиационные поправки к температуре и амплитуде колебаний температур, исходя из составляющих радиационнотеплового баланса разных склонов, как это было рассмотрено выше. H = ktR = R – LE – G, откуда tR = (R – LE – G) / k Влияние снежного покрова Снежный покров является одним из наиболее мощных факторов формирования температурного режима пород. Снежный покров в значительной степени изменяет характер радиационнотеплового баланса на поверхности. При этом влияние его многообразно. Прежде всего, снег резко изменяет альбедо поверхности, повышая ее отражательную способность (до 0,7—0,85 по сравнению с 0,1—0,3 растительных покровов), в результате чего сокращается количество поглощенной солнечной радиации в почвенных горизонтах. Отсюда вытекает охлаждающее действие снежного покрова. Большая доля участия в радиационно-тепловом балансе принадлежит фазовым переходам воды, таянию снега под действием солнечных лучей и его испарению, что приводит к существенному сокращению приходной части теплового баланса поверхности почвы. Одновременно с этим в зимний период почва отдает полученное летом тепло, и снег, как теплоизолятор, предохраняет почву от зимних теплопотерь. В этом случае снег выступает как фактор, отепляющий почву. Но если взять хотя бы две основные стороны этого процесса — охлаждающую роль снега за счет его высокого альбедо по сравнению с поверхностью почв и его теплоизолирующую роль, то можно вскрыть зависимость, которая характеризуется следующим графиком (рис.). На рис. видно, что если снег имеет малую мощность (до h1), то преобладает его роль как отражателя солнечных лучей, а термоизолирующие свойства незначительны. Снег в этом случае является охлаждающим фактором. При увеличении мощности снега от h1 до h2 преобладает его отепляющее влияние. Отепляет как теплоизолятор Отепляет h2 Охлаждает h3 h1 Охлаждает за счет альбедо Охлаждает за счет задержки таяния Отепляет в снежниках и ледниках за счет геотермического градиента Первый закон Фурье (изменение амплитуды с глубиной по огибающим температурных колебаний) позволяет предположить, что при наличии любых покровов амплитуда колебаний температур под покровами сокращается A( z ) Ae C z T z Aв tсн Aсн (1 e 2 a 2T ) Δtсн – отепляющее влияние снега, ΔAсн – сокращение амплитуды (физической) годовых колебаний температуры под снегом, Aв – метеорологическая амплитуда годовых колебаний температуры воздуха, z –высота снежного покрова, м, а2 – коэффициент температуропроводности снега, м2/с, Т – период, равный году, с Основой послужил первый закон Фурье – сокращение амплитуды A( z ) Ae C z T Существенно более простая формула для приближенной оценки отепляющего влияния снежного покрова с учетом уровня годового теплообмена пород с атмосферой (т.е. теплооборотов в грунтах) в области развития многолетнемерзлых пород получена С.Н.Булдовичем (2001). Rсн, tсн 2мп з Qф Т где R сн среднее термическое сопротивление снега за зимний период, Q теплота фазовых переходов в грунте; м ф теплопроводность мерзлых пород; п з - сумма градусочасов за зимний период на поверхности пород, равная │tз│τз. Полученная формула включает теплофизические характеристики пород, учитывает интенсивность годового теплообмена последних с внешней средой и позволяет оценить температурное воздействие снега при отсутствии иных теплоизолирующих покровов. Глубина сезонного оттаивания и промерзания при отепляющем влиянии снега + t1 t2 0 t1 t2 A1 A2 A3 Слой, промерзающий зимой Слой, протаивающий летом t1 – со снегом t2 – без снега Для выявления изменчивости характера формирования снежного покрова во времени и по площади должна проводиться снегомерная съемка. При этом особое внимание обращается на изменение мощности и плотности снега в зависимости от экспозиции и крутизны склонов, характера рельефа и микрорельефа и особенностей растительности. В тех случаях, когда снегомерную съемку по каким-либо причинам провести невозможно, расчетные значения мощности снежного покрова назначаются по данным ближайших метеостанций. Влияние растительного покрова Лесная и кустарниковая растительность Влияние лесной и кустарниковой растительности на температурный режим пород имеет два основных аспекта. Во-первых, растительность в зависимости от видового состава, высоты и густоты изменяет структуру радиационно-теплового баланса дневной поверхности. Во-вторых, растительный покров существенно влияет на распределение и свойства снежного покрова. Поверхность Во второй половине 90-х годов ХХ века зафиксировано уменьшение альбедо Земли приблизительно на 2,5% Альбедо (%) Свежий снег 60-90 Тающий снег 40-70 Облака 40-90 Пустыни 30-50 Почва 5-30 Тундра 15-35 Луг 18-25 Лес 5-20 Вода 5-10 Средняя для Земли 31 Влияние растительного покрова Лесная и кустарниковая растительность Летом в лесу в зависимости от его видового состава и сомкнутости крон сокращение поступающей радиации может достигать 70%. Уменьшение солнечной радиации и специфические условия тепло-влагопереноса в растительном покрове обусловливают уменьшение интенсивности испарения в несколько раз по сравнению с открытыми ландшафтами. Турбулентный теплообмен в растительном покрове также всегда меньше, чем на открытых ландшафтах, что объясняется в значительной мере снижением скорости ветра. В среднем за год даже в редкостойных лесах она составляет всего 8-10% от скорости ветра на открытых участках. Указанные изменения энергообмена в лесных ландшафтах по сравнению с открытыми участками влекут за собой изменение температурного режима. Влияние растительного покрова Лесная и кустарниковая растительность В различных регионах в зависимости от лесообразующей породы и сомкнутости крон среднегодовая температура воздуха в лесу понижается на 0,5-2,0 град. С. Наибольшим охлаждающим влиянием отличаются еловые и сосновые леса с сомкнутостью крон более 0,5. При доминирующем охлаждающем влиянии леса в районах с континентальным климатом в редкостойных лиственничных лесах среднегодовая температура воздуха оказывается на 0,3-0,6 град. С выше, чем на открытом участке. Это, очевидно, объясняется относительно небольшим сокращением приходящей солнечной радиации в таких лесах и значительным уменьшением коэффициента турбулентного обмена вследствие погашения лесом скорости ветра. Влияние растительного покрова Лесная и кустарниковая растительность В лесотундре, редкостойных лесах и кустарниках северной тайги сокращение притока радиации к поверхности почвы компенсируется уменьшением турбулентного теплообмена, а в условиях метелевого переноса снега в них накапливается более высокий и рыхлый, чем на безлесных участках, снежный покров. В результате среднегодовая температура пород в северных лесах превышает температуру пород на безлесных участках. С увеличением сомкнутости крон сокращение прихода радиации столь существенно, что уменьшение турбулентного обмена не может компенсировать его. При слабых ветрах, характерных для лесной зоны, высота снежного покрова (особенно в густых темнохвойных лесах) значительно меньше, чем на безлесных участках. Поэтому в средней, южной тайге и в области развития талых пород, т.е. на юге страны, лес является охлаждающим фактором. Лесная и кустарниковая растительность Роль растительного покрова в накоплении снега и в формировании его теплопроводности велика и неоднозначна. Создавая ветровую тень, растительный покров способствует накоплению снега особенно в тундрах и лесотундрах, где идет сильный метельный перенос снега. Именно этим объясняется в ряде случаев отсутствие многолетнемерзлых пород в лесных массивах на севере Западной Сибири. И это при том, что растительный покров сам по себе понижает температуру воздуха по сравнению с открытыми ландшафтами, где распространены мерзлые толщи. В северотаежных ландшафтах с антициклональным режимом почвы в зимнее время кроны хвойных деревьев задерживают значительную часть снега, и на земной поверхности его высота оказывается меньше, чем на открытых участках. Очевидно, что в этом случае лесные ландшафты могут отличаться более суровыми условиями, чем открытые. Наконец, кустарниковый и травяно-кустарничковый покровы влияют на теплопроводность снега. Это явление проявляется через уменьшение его плотности. По данным А.В.Павлова и В.А.Дубровина оно может составлять 5-10%.
