9. Сила тяжести

10. Солнечная энергия

Солнечная радиация - почти единственный источник энергии почти для всех природных процессов в географической оболочке. Благодаря превращению солнечной энергии в другие виды - тепловую, химическую и механическую, осуществляются все внутренние обменные процессы в ландшафте (влагооборот, биологический метаболизм, циркуляция воздушных масс).

Поток суммарной солнечной радиации к поверхности суши составляет в среднем 5600 МДж/м2 год, а радиационный баланс - 2100 МДж/м2год. Для сравнения, энергия внутренних недр Земли, поступающая к поверхности и способная участвовать в ландшафтообразующих процессах состоящая из: энергии современных тектонических движений (в том числе сейсмических процессов) - 0,03 МДж/м2 год и теплового потока, связанного с переносом к земной поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод - 2МДж/м2год. Это составляет в среднем для Земли 0,04% от суммарной солнечной радиации. Но для вулканических ландшафтов величина потока геотермической энергии достигает 20-50 МДж/м2год, а в локальных местах -(кратерах вулканов, горячих источниках) - несколько тыс. МДж/м2год. А во время вулканических извержений поток геотермического тепла может достигать в пересчете на год 2,5 х108  МДж/м2

Остальные поступления энергии ничтожны и представлены: энергией космических лучей - 10 МДж/м2год и энергией приливного трения - 0,1 МДж/м2год.

Обеспеченность солнечной энергии определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной годичный цикл функционирования.

Преобразование солнечной радиации начинается еще в верхних слоях атмосферы, но наиболее интенсивно этот процесс происходит у земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая земной поверхности частично отражается от нее. Потери солнечной радиации на отражение колеблются в зависимости от характера поверхности и характеризуются  величиной альбедо. Теоретически его значения меняются от 0 (абсолютно черная поверхность) до 1 (абсолютно белая поверхность). В реальных условиях наибольшие значения альбедо характерны для свежевыпавшего снега - 0,80-0,95. Средние значения альбедо снега меньше и составляют 0,70-0,80, а тающего снега - 0,30-0,50. При отсутствии снега наибольшие альбедо наблюдаются в пустынных районах, где поверхность почв покрыта слоем кристаллических солей (дно высохших соленых озер). В этих условиях альбедо может достигать 0,50. Немногим меньшие значения имеют пустыни, лишенные растительности, со светлыми песчаными почвами. Альбедо светлых горных пород (и песков) составляет  0,20-0,40, темных горных пород и почв - 0,05-0,10, при этом альбедо влажной почвы всегда меньше альбедо той же почвы, но в сухом состоянии. Альбедо естественных поверхностей со сплошным растительным покровом изменяется в сравнительно небольших пределах от 0,10 до 0,20-0,30. Так, альбедо лиственного леса в период вегетации и пожелтения составляет 0,15-0,20, хвойного леса - 0,10-0,15, густого зеленого травостоя - 0,20-0,25, ерниковой и мохово-лишайниковой тундры - 0,15 -0,25, травяной ветоши и болот - 0,15-0,20. Более низкие значения альбедо леса, особенно хвойного, по сравнению с луговой растительностью, по-видимому, объясняются более благоприятными условиями поглощения в пределах высокого (древесного) растительного покрова, где возрастает вероятность поглощения проникших в растительный покров потоков солнечной радиации после их отражения от элементов растительности.

Эффективное излучение, зависящее от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, также сильно дифференцировано по ландшафтам. В результате наибольшую часть суммарной радиации теряют приполярные ландшафты (арктические пустыни - около 87%, тундровые - 80%, пустынные и таежные - 65%, , степные, лесостепные, широколиственные суббореальные - 59-62% , экваториальные леса - 47%).

Поглощенное земной поверхностью тепло расходуется, в основном, на транспирацию и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, (нагревание воздуха и влагооборот). Соотношение этих затрат зонально, в гумидных ландшафтах преобладают затраты тепла на транспирацию, а в аридных - на турбулентную теплоотдачу.

 Большие затраты энергии на транспирацию объясняются необходимостью обеспечивать растения минеральным питанием и предотвращать их перегревание. Эти затраты энергии, очевидно, служит причиной низкой эффективности фотосинтеза и лимитируют возможности повышения биологической продуктивности ландшафтов.

Другие энергозатраты, играющие существенную роль в функционировании ландшафта, составляют очень небольшую часть радиационного баланса. Это, прежде всего, теплообмен земной поверхности с почво-грунтами. Он носит циклический характер: в теплое время тепловой поток  поступает от поверхности вглубь, в холодное - в обратном направлении. Величина этого теплопотока наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температуры воздуха и поверхности почвы, и зависит от влажности, литологии почвенно-грунтового чехла (теплопроводности горных пород) и характера растительного покрова. Например, мохово-торфяной слой служит теплоизолятором, затрудняющим теплообмен; под пологом леса уменьшается приток солнечного тепла к поверхности почвы и теплообмен слабей, чем на безлесных территориях. Сезонный теплообмен проникает на глубину 10-20 метров, и его величина составляет несколько процентов от годового радиационного баланса (для тундры - до 10%).

В высоких и умеренных широтах часть радиационного баланса расходуется на таяние снега, льда и сезонной мерзлоты (2-5%).

На физическое разрушение горных пород, химическое разложение минералов в почве уходят сотые и тысячные доли процента.

В трансформации солнечной энергии важнейшая роль принадлежит биоте, хотя на биохимическую реакцию фотосинтеза растений суши используется лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации или 1,3% радиационного баланса. В фотосинтезе используется так называемая фотосинтетически активная радиация (ФАР) - часть солнечного излучения в диапазоне волн от 0,4 до 0,7 мкм, составляющая 45% от суммарной радиации (40% прямой, 62% рассеянной). Растительной покров поглощает 90% ФАР (или 40% суммарной), но подавляющая его часть расходуется на транспирацию и поддержание определенных термических условий в сообществе и только 0,8%-1,0% от ФАР участвует непосредственно в фотосинтезе. Коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза меняется в зависимости от природной зоны: наибольшие значения КПД фиксируются на экваторе, где существует оптимальное сочетание тепла и влаги, наименьшее - в пустынях и полярных областях. На территории бывшего СССР значения этого коэффициента распределяются следующим образом (по М.И. Будыко): наибольшие значения наблюдаются в районах с максимальным годовым приростом (в субтропиках Черноморского побережья Кавказа) - до 2%, сравнительно велики значения этого коэффициента на всей Европейской территории России (1,2% - 0,6%), за исключением засушливых областей юга и юго-востока (до 0,2%), на основной части Сибири, за исключением Западной Сибири и юга Дальнего Востока, в годовом приросте биомассы заключено от 0,4 до 0,8% от приходящей ФАР. Уменьшение значения коэффициента в восточных районах, по сравнению с западными, объясняется менее благоприятными условиями - меньшим увлажнением и сокращением вегетационного периода. В пустынях и полупустынях это значение падает до 0,2-0,1%. Установлено, что в период вегетации КПД несколько выше, чем в среднегодовом, а при особо благоприятных условиях у отдельных листьев КПД фотосинтеза может составлять 15-24%.

Около половины затраченной  на фотосинтез энергии высвобождается при дыхании продуцентов, остальная часть сохраняется в чистой первичной продукции. Содержание энергии в образовавшейся фитомассе определяется по калорийности (теплоте сгорания) органического вещества, которая в среднем близка к 18.5 кДж на 1г сухого вещества, но варьирует в зависимости от географической широты, возрастая от низких широт к высоким:

·     влажные экваториальные леса - 16-17 кДж,

·     листопадные широколиственные  леса - 17-19 кДж,

·     хвойные леса - около 20 кДж,

·      кустарничковые тундры - 21-24 кДж.

В процессе дыхания продуцентов, консументов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинтезе энергия снова превращается в тепло. Таким образом, вся энергия, связанная первичными продуцентами, рассеивается и, в отличие от вещества, не возвращается в биологический цикл, т.е. энергообмен не имеет замкнутого характера и не является круговоротом. На каждом последующем трофическом уровне для создания биомассы используются энергия меньшая, чем на предыдущем уровне и происходят ее значительные потери.

Рассмотрим распределение энергии на примере ландшафта широколиственного леса умеренного пояса. Примем общее количество ассимилированной энергии за 100%, тогда 54,7% из них расходуется на дыхание растительного покрова, а 45,3% накапливается в чистой первичной продукции. Из  этих 45,3% - 18.9% - остается в приросте, 13,6% - уходит в подстилку, 11,7% - в отмершие корни,  1,1% - выедается животными (следовательно, переходит на другой трофический уровень).

При разложении подстилки из 13,6%  энергии, перешедшей в подстилку 9,5% - теряется при разложении подстилки, оставшиеся 4,1% и 11,7% энергии, ассимилированной корнями (всего 15,8%) - переходит в гумус. Из этих 15,8% -14,0% расходуется при минерализации гумуса, и лишь 1,8% накапливается. Таким образом, на дыхание и другие процессы окисления уходит 79,3% ассимилированной энергии и лишь 20,7% удерживается в живом и мертвом веществе.

В южно-таежных ельниках распределение энергии несколько иное: 50% ассимилированной энергии расходуется на дыхание, а 50% накапливается в чистой продукции, из которой 22,1% - сохраняется в приросте, 27,9% уходит в опад и отмершие корни, из которых 18,6% теряется при разложении опада и подстилки, а 9,3% уходит в гумус. Таким образом, в живом и мертвом веществе в этом случае удерживается 22,1%.

В целом, в живой массе суши аккумулировано 5% годовой суммарной солнечной радиации, или 14% радиационного баланса. Но в отдельных сообществах эти соотношения более высокие:

·     таежные темнохвойные леса - 40% годового радиационного баланса, что эквивалентно 500 Мд/м2

·     листопадные широколиственные леса - 50%, или 650 Мд/м2

·     экваториальные леса -  67% годового радиационного баланса - 850 Мд/м2

·     североамериканские леса из секвойи и дугласии - 70% радиационного баланса - 1700 Мд/м2.

Некоторая часть аккумулированной растениями солнечной энергии содержится в мертвом органическом веществе (подстилке, гумусе, торфе). В гумусе черноземов содержится 1000 МДж/м2, в торфе - тысячи мДж/м2. Таким образом, в энергообмене ландшафта ведущую роль играет биота.

Энергетическое значение биоты для ландшафта определяется не только преобразованием солнечного тепла непосредственно при фотосинтезе и разложении биомассы. При входе в геосистему солнечный поток трансформируется растительностью и низкое альбедо растительного покрова увеличивает радиационный баланс. Под полог леса приникает лишь часть радиации (в темнохвойном лесу на поверхность почвы проникает лишь 1/10 часть суммарной радиации, поступающей на кроны), меняется ее спектральный состав и уменьшается доля ФАР. Над лесной поверхностью турбулентный поток тепла возрастает по сравнению с безлесной.

Интенсивность функционирования ландшафтов определяют по нескольким показателям:

·     показателю биологической эффективности климата (Тк), равному произведению суммы температур за период со среднесуточными температурами выше 100  и годового коэффициента увлажнения (при принятии предельного значения последнего равного 1, ибо большее увлажнение не оказывает положительного влияния на биологическую продуктивность).

·     затратам тепла на транспирацию (Е)

·     величине первичной продукции фитомассы (П)

·     величине годового потребления зольных элементов и азота растительностью (МN).

Наибольшие значения этих показателей имеют экваториальные ландшафты. Их при сравнении принимают за 100%, и, по отношения к ним, остальные ландшафтные зоны располагаются в последовательности от наибольших значений к наименьшим. Эту последовательность можно рассматривать как ряд ландшафтов по убыванию интенсивности их функционирования