   Артур Николаевич Голицын
   Инженерная геоэкология
   Учебник

Предисловие

   В экологических средних профессиональных учебных заведениях подготовка специалистов-экологов связана с изучением таких дисциплин, как метеорология, почвоведение и гидрология. Эти дисциплины являются геоэкологическими, так как они изучают состав и строение трех основных экологических сред: атмосферы (метеорология), почвы (почвоведение) и гидросферы (гидрология).
   В учебных планах экологических средних профессиональных учебных заведений по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (3201) на изучение этих предметов в сумме отводится около 250 учебных часов.
   Для экологов объем необходимых знаний по названной специальности определяется Государственным образовательным стандартом. Настоящий учебник разработан в соответствии с учебным планом и примерными программами этого стандарта.
   Перед автором стояла непростая задача – сжато и доступно изложить большой учебный материал (каждый из разделов достоин отдельного учебного пособия), не упустив при этом важных и принципиальных для будущих экологов вопросов.
   Кроме того, спецификой подготовки специалистов среднего звена является постановка акцента на практическом применении знаний, что также было учтено автором.
   Учебник состоит из трех глав: «Метеорология», «Почвоведение», «Гидрология». Во всех главах особое внимание уделяется экологическим особенностям рассматриваемых тем; кроме того, каждая глава включает в себя специальные экологические разделы («Метеорологические условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы», «Экология и почвоведение», «Экология и гидрология»).
   Учебный материал связан с такими экологическими дисциплинами, как «Промышленная экология», «Мониторинг загрязнения природной среды», «Природоохранное законодательство».
   При разработке учебника был обобщен многолетний опыт преподавания автором экологических дисциплин в учебных заведениях среднего профессионального образования.
   Автор глубоко благодарен создателям учебников: по метеорологии – И.И. Гуральнику, С.П. Хромову, М.А. Петросянцу, М.С. Стернзату, В.В. Тарасову; по почвоведению – В.В. Добровольскому, А.В. Хабарову, А.А. Яскину, А.И. Горбылевой; по гидрологии – И.А. Соломенцеву, И.Ф. Карасеву, Б.С. Залогину, Д. Квасничковой.
   Неоценимую помощь в создании учебника автору оказали академики Н.Н. Моисеев и А.Г. Назаров, разработчики Государственного образовательного стандарта по специальности 3201 Г.М. Яровая и К. Г. Калинина. Автор также выражает признательность Г.В. Липину, Е.И. Николаевой, А.В. Николаеву, М.Н. Бурлаковой, Т.Я. Голицыной – за помощь в подготовке рукописи.
   Автор с благодарностью примет пожелания и замечания в адрес настоящего учебника.

Введение

   Отрицательное антропогенное воздействие на природу стало настолько значительным, что в мире возникла опасность нарушения устойчивого равновесия. При этом отходами промышленности, коммунально-бытового и сельского хозяйства загрязняются все три основные геоприродные среды – атмосфера, почва и вода.
   К глобальным экологическим проблемам относятся парниковый эффект, увеличение размеров озоновых дыр, кислотные дожди, а также обезвоживание, опустынивание, эрозия и засоление почв.
   Атмосферными процессами занимается наука метеорология. На уровень загрязнения атмосферы влияют следующие условия погоды:
   1. Инверсия (особенно приподнятая инверсия). Она возникает, когда массы теплого воздуха распространяются над регионом и препятствуют выносу загрязнителей в атмосферу. При этом температура почвы ниже температуры воздуха.
   2. Ураганы. При ураганах скорость ветра превышает 30 метров в секунду. Они возникают в определенных местах Мирового океана при резком повышении температуры морской воды; при движении ураганы разрушают все на своем пути.
   3. Туман (промышленный и фотохимический смог). Туман отрицательно воздействует на окружающую среду (в частности, приводит к выпадению кислотных дождей) и создает неблагоприятные условия для жизни человека.
   4. Штиль. При отсутствии ветра (v -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0–0,5 м/с) над поверхностью земли создаются условия для застоя воздуха. Запирающий слой кислых газов и пыли при этом снижается над местностью. От высоких источников загрязнения (высоких дымовых труб) дым не поднимается столбом вверх. С низкими источниками загрязнения (выхлопные трубы автотранспорта) дело обстоит еще хуже: отходящим газам некуда деться, и это усугубляется плохим качеством сжигаемого в автомобилях бензина и дизельного топлива.
   5. Осадки. При определенной метеорологической обстановке создаются условия для образования кислотных дождей, что отрицательно сказывается на здоровье человека, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и является причиной коррозии металлов.
   6. Видимость в атмосфере. На состояние этого метеорологического фактора влияет наличие в воздухе взвешенных жидких и твердых частиц (капли воды, пыль).
   7. Излучения. Электромагнитные излучения, в том числе инсоляция, магнитные и радиационные излучения, также в той или иной мере зависят от метеоусловий. Солнечная радиация инициирует магнитные бури; электромагнитные явления в атмосфере вызывают грозы; радиационные явления ионизирующего характера зависят от наличия в атмосфере частиц пыли с высоким уровнем радиации.
   Основными веществами, загрязняющими атмосферу, являются окислы азота, серы и углерода, фенолы, аммиак, хлор, радиоактивная пыль и суперэкотоксиканты.
   Другая важнейшая геонаука, связанная с экологией, – почвоведение. Почва – компонент природно-антропогенного комплекса; она взаимодействует с воздушной средой, водами, биотой и объектами техногенной среды. Почва испытывает не только антропогенную нагрузку, но и воздействия природных факторов, в первую очередь климатических. К их числу относятся воздействия температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, количества и качества осадков, уровня солнечной радиации, характера облачности. Экологические факторы влияют на протекание процессов почвообразования, развития и жизнедеятельности почвенных организмов, обмена энергией и массой, а следовательно, прямо и косвенно, на ее экологическое состояние.
   Качество почвы определяет ее потребительские свойства и возможность использования человеком почв или территорий, а также необходимость проведения восстановительных мероприятий.
   Экологическая оценка состояния почвы проводится с учетом следующих факторов:
   – антропогенной нагрузки на почву и на все ее компоненты;
   – нарушений почвы, ее взаимосвязей и взаимовлияний на другие компоненты природно-антропогенного комплекса, обусловленных антропогенной нагрузкой и природными явлениями;
   – способности почвы к текущему и последующему воспроизводству питательных веществ, морфологических структур, биотических связей и др.;
   – экологических проблем, связанных с ухудшением состояния почвы.
   Почва – многофазная система, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов; при этом на нее оказывают постоянное влияние физические почвенные процессы (перенос влаги, испарение и т. д.).
   Основными загрязнителями почв являются оксиды тяжелых металлов (железа, меди, цинка, кадмия и др.), нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, пестициды, радиоактивные вещества, кислоты.
   Наука гидрология изучает океаны и поверхностные воды суши. Заметное место в гидрологии занимают исследования экологического направления. В настоящее время появились такие разделы гидрологии, как экология океанов и морей, рек и озер, болот и водохранилищ, снега и льда. С геоэкологической точки зрения изучаются водоемы суши. При этом рассматривается загрязнение и санитарное состояние вод, оцениваются их качество и влияние загрязнения на водные организмы. С учетом специфики тех или иных видов водоемов (реки, озера, болота и др.) при изучении каждого из них используются новые подходы, методологические приемы и т. п.
   Значительное антропогенное воздействие связано с интенсификацией использования биологических, минеральных, энергетических и других ресурсов Мирового океана, с развитием судоходства и морских перевозок. Увеличилось использование воды в водоемах суши для хозяйственных нужд, мелиорации и гидротехнического строительства.
   Вместе с осадками вредные вещества из атмосферы попадают или прямо в поверхностные воды, или в почву, а из нее – в воду. Кислотные дожди изменяют и рН (кислотность) поверхностных вод.
   Значительное количество загрязнений поступает с промышленными и бытовыми сточными водами. Промышленные стоки содержат различные загрязнения, состав которых зависит от характера производства. Для воды особо опасными вредными веществами являются нефтепродукты, фенолы, различные соединения металлов, пестициды, поверхностно-активные и радиоактивные вещества, кислоты, а также такие сильные яды, как цианиды, ртуть и мышьяк. Бытовые сточные воды содержат большое количество органических веществ (остатки продуктов питания, испражнений) с различными микроорганизмами (в том числе болезнетворными).
   Итак, экологу необходимо знать метеорологические данные и гидрологические особенности местности, характер почв и собственно экологические характеристики объекта (эти параметры изучаются в дисциплинах «Промышленная экология» и «Мониторинг загрязнения природной среды»).
   Наряду с другими естественными науками эколог (в том числе выпускник учебного заведения системы среднего профессионального образования экологического профиля) должен владеть основами знаний по метеорологии, почвоведению и гидрологии; это существенно расширит его кругозор и природоведческую эрудицию, а также повысит уровень и качество профессиональной подготовки.

Глава 1
Метеорология

1.1. Организация метеорологических наблюдений и измерений

   Метеорология – наука об атмосфере, ее составе, строении, свойствах, физических и химических процессах, протекающих в атмосфере. Эти процессы оказывают большое влияние на жизнь человека.
   Человеку необходимо иметь представление о погодных условиях, которые были, есть и, что особенно важно, будут сопровождать его существование на Земле. Без знания метеоусловий невозможно правильно вести сельскохозяйственные работы, строить и эксплуатировать промышленные предприятия, обеспечивать нормальное функционирование транспорта, особенно авиационного и водного.
   В настоящее время, когда на Земле сложилась неблагоприятная экологическая обстановка, без знания законов метеорологии немыслимо прогнозирование загрязнения природной среды, а неучет метеоусловий может привести к еще большему ее загрязнению. Современная урбанизация (стремление населения жить в крупных городах) приводит к возникновению новых, в том числе метеорологических, проблем: например, проветриваемость городов и местное повышение температуры воздуха в них. В свою очередь, учет метеоусловий позволяет снизить вредное воздействие загрязненного воздуха (а следовательно, воды и почвы, на которые эти вещества осаждаются из атмосферы) на организм человека.
   Задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный момент времени, прогноз ее состояния на будущее, разработка экологических рекомендаций и, в конечном счете, обеспечение условий безопасного и комфортного существования человека.
   Наряду с мониторингом загрязнения природной среды, метеорология является информационной системой, которая необходима для принятия научно обоснованных экологических решений.
   В учреждениях среднего профессионального образования изучаются следующие разделы метеорологии:
   1. Организация метеорологических наблюдений и измерений.
   2. Состав и строение атмосферы.
   3. Лучистая энергия в атмосфере и у поверхности Земли.
   4. Тепловой режим почвы и водоемов.
   5. Тепловой режим атмосферы.
   6. Водяной пар в атмосфере.
   7. Осадки, выпадающие из облаков.
   8. Атмосферное давление и плотность воздуха.
   9. Воздушные течения в атмосфере.
   10. Атмосферные явления и метеорологическая дальность видимости.
   11. Метеорологические условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы.
   Метеорология тесно связана с другими науками. Главным ее инструментом является математика, особенно сейчас, при высоком уровне компьютеризации науки. Учеными-метеорологами разработан целый ряд математических моделей климатологии в масштабах Земли. Метеорология немыслима также без знания законов физики и химии, особенно в части приборного обеспечения метеонаблюдений.
   Изучение такого раздела метеорологии, как климат, невозможно без географии, гидрологии и геодезии.
   С метеорологией теснейшим образом связаны такие разделы экологии, как промышленная экология, мониторинг загрязнения природной среды, экологическое обследование территорий. Особенно это важно в настоящее время – время экологических катастроф (озоновых дыр, кислотных дождей, парниковых эффектов, ураганов, аварий на АЭС).
   С учетом метеоусловий развиваются геология, экономика, медицина, функционируют основные отрасли народного хозяйства: промышленность, транспорт (главный загрязнитель крупных городов), строительство, сельское хозяйство.
   Погода – это физическое состояние атмосферы у поверхности Земли и на высоте до 30–40 км в данный момент. Ее характеризуют метеорологические показатели (температура, давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра, а также количество и характер атмосферных осадков) и атмосферные явления (гроза, туман, метель, буря).
   Климат – это совокупность атмосферных условий за длительный период времени, характерная для данной местности и конкретной географической обстановки (широта, долгота и высота над уровнем моря, характер земной поверхности, почвенный покров и т. д.). Для климата характерны периодические изменения погоды в течение года от зимы к лету, а также в течение нескольких лет (межгодовая изменчивость атмосферных условий). На протяжении нескольких десятков лет климат обладает устойчивостью; он является одной из основных характеристик местности.
   В настоящее время ввиду резкого увеличения объема антропогенного воздействия на природу появилась тенденция отрицательного необратимого изменения климата на Земле. Метеорология и мониторинг загрязнения природный среды (раздел экологии) тесно связаны между собой. В экологических постах наблюдения (АСКЗА, ПОСТ-1, «Атмосфера-2») наряду с экологическими параметрами измеряются и метеорологические характеристики, что позволяет прогнозировать природную ситуацию. Мониторинг загрязнения природной среды предусматривает оценку экологического состояния не только атмосферы (чем в основном занимается метеорология), но и воды, почвы, а также уровня электрических и радиационных полей.
//-- Метеорологические показатели и приборы, используемые для их измерения --//
   Температура воздуха (текущая, минимальная и максимальная), °С, – стандартный, минимальный и максимальный термометры.
   Температура воды (текущая), °С, – стандартный термометр.
   Температура почвы (текущая), °С, – угловой термометр.
   Давление атмосферы, Па, мм рт. ст., – барометр (в том числе барометр-анероид).
   Влажность воздуха: относительная влажность, %, – гигрометр и психрометр; парциальное давление водяного пара, мВ; точка росы, °С.
   Ветер: скорость ветра (мгновенная, средняя и максимальная), м/с, – анемометр; направление ветра – в градусах дуги и румбах – флюгеры.
   Осадки: количество (толщина слоя выпавшей воды на горизонтальную поверхность), мм, – осадкомер Третьякова, плювиограф; вид (твердые, жидкие); интенсивность, мм/мин; продолжительность (начало, конец), ч и мин.
   Снежный покров: плотность, г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; запас воды (толщина слоя воды, образующаяся при полном таянии снега), мм, – снегомер; высота, см.
   Облачность: количество – в баллах; высота нижней и верхней границ, м, – индикатор высоты облачности; форма – по Атласу облаков.
   Видимость: прозрачность атмосферы, %; метеорологическая дальность видимости (экспертная оценка), м или км.
   Солнечная радиация: продолжительность солнечного сияния, ч и мин; энергетическая освещенность, Вт/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; доза облучения, Дж/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
//-- Экологические показатели --//
   Радиоактивность: воздуха – в кюри или в микрорентген в час; воды – в кюри на кубический метр; поверхности почвы – в кюри на квадратный метр; снежного покрова – в рентгенах; осадков – в рентген в секунду – радиометры и дозиметры.
   Загрязнение атмосферы: чаще всего оценивается в миллиграммах на кубический метр воздуха – хроматографы.
   Содержание химических веществ в осадках, мг/л, – химические, физико-химические или физические анализаторы.
   Содержание химических веществ в почве, мг/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, – химические, физико-химические или физические анализаторы.
   Знание законов метеорологии позволяет оценить такие экологические явления, как рассеяние загрязняющих веществ, образование смогов (ядовитых туманов), инверсия (способность нагретого загрязненного воздуха опускаться к охлажденной земле), образование шлейфа дыма от труб промышленных предприятий, проветриваемость жилых массивов; эти законы необходимо учитывать при составлении экологических прогнозов.
//-- Метеорологическая площадка – требования к размещению. --//
//-- Устройство и оборудование метеоплощадок --//
   Метеорологическая площадка должна находиться на открытой местности на значительном расстоянии от леса и жилой застройки, особенно многоэтажной.
   На метеоплощадках основного типа используются следующие приборы:
   – термометры для измерения температуры воздуха (в том числе горизонтальные минимальные и горизонтальные максимальные) и почвы (они имеют наклон для удобства считывания показаний);
   – барометры различного типа (чаще всего – барометры-анероиды для измерения давления воздуха). Они могут размещаться в помещении, а не на открытой площадке, так как давление воздуха одинаково и в помещении, и снаружи;
   – психрометры и гигрометры для определения влажности атмосферы;
   – анемометры для определения скорости ветра;
   – флюгеры для определения направления ветра (иногда применяют анеморумбографы, совмещающие функции измерения и записи скорости и направления ветра);
   – индикаторы высоты облаков (например, ИВО-1М); самопишущие приборы (термограф, гигрограф, плювиограф).
   – осадкомеры и снегомеры; на метеостанциях чаще всего применяют осадкомеры Третьякова.
   Размещение приборов вдали от зданий позволяет исключить ошибки измерений, связанные с переизлучением зданий или высоких предметов, правильно измерять скорость и направление ветра и обеспечить нормальный сбор осадков.
   Кроме перечисленных показателей, на метеостанциях регистрируются облачность (степень покрытия неба облаками, тип облаков); наличие и интенсивность различных осадков (росы, инея, гололеда), а также тумана; горизонтальная видимость; продолжительность солнечного сияния; состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова. На метеостанции регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, бури, грозы, радуги.
   Кроме метеостанций, в метеосеть входят метеопосты, на которых проводятся наблюдения только за осадками и снежным покровом.
   В обсерваториях и на специальных станциях проводятся измерения экологических величин: содержание в воздухе пыли, химических и радиоактивных примесей. На современном этапе технического прогресса в метеорологии стали применять лазеры, спектрометры, а для обработки метеоинформации – компьютеры. Компьютерная техника широко применяется и при составлении синоптических карт. На практике применяются полуавтоматические (ПОСТ-1, ПОСТ-2, АСКЗА) и автоматические метеопосты, не требующие участия человека в измерениях.
   Метеонаблюдения должны быть длительными и непрерывными и проводиться строго в соответствии с международными стандартами. Измерения метеопараметров для сравнимости во всем мире проводятся одновременно (т. е. синхронно): в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 ч по Гринвичскому времени (времени нулевого, Гринвичского, меридиана). Это так называемые синоптические сроки. Результаты измерений немедленно передаются в службу погоды по компьютерной связи, телефону, телеграфу или радио. Там составляются синоптические карты и разрабатываются метеопрогнозы.
   Некоторые метеорологические измерения проводятся в собственные сроки: количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова – один раз в сутки, плотность снега – один раз в пять—десять дней.
   При проведении метеоизмерений на судах каждый раз отмечаются координаты корабля.
   На некоторых специальных метеопостах (например, в экологических лабораториях ПОСТ-1, ПОСТ-2, АСКЗА, «Атмосфера-2») измерения метеопараметров проводятся четыре раза в день в строго установленные часы (например, в 06, 12, 18 и 24 ч).

1.2. Состав и строение атмосферы

//-- Состав воздуха в нижних и верхних слоях атмосферы --//
Нижние слои атмосферы, наиболее важные для жизни человека, содержат в себе так называемые сухие газы, водяные пары, аэрозоли, радиоактивные вещества и ионы. Концентрация сухих газов в атмосферном воздухе приведена в табл. 1.
//-- Таблица 1. Состав сухого воздуха у земной поверхности, % --//

   В составе атмосферы основная доля приходится на азот, кислород и аргон; на остальные газы приходится всего около двух процентов.
   Преобладание азота в атмосферном воздухе объясняется его инертностью, поэтому, выделившись при образовании атмосферы, он сохранился в ней в большем количестве, чем другие газы. Высокое содержание кислорода в атмосфере Земли объясняется фотосинтетическим действием растений (выделением кислорода и потреблением углекислого газа).
   Кроме указанных газов, в воздухе нижних слоев атмосферы в переменном количестве постоянно присутствуют аммиак, соединения хлора и фтора, радон и другие газы, а также ранее не знакомые человечеству суперэкотоксиканты.
   Углекислый газ поступает в атмосферу при вулканических извержениях, в результате гниения и разложения органических веществ; в процессе дыхания животных и растений и при сжигании топлива в промышленности и на транспорте. Содержание его в атмосфере составляет 0,033 %. Углекислый газ потребляется растениями, которые при этом вырабатывают кислород. Кроме океана, основными «легкими» Земли являются сибирская тайга и джунгли Амазонки, причем тайга дает миру больше кислорода, так как тратит его меньше на перегнивание органических остатков. Углекислый газ интенсивно поглощает и излучает длинноволновую лучистую энергию и является основной причиной парникового эффекта. Содержание углекислого газа в воздухе изменяется в зависимости от широты, местных условий, времени суток и года. В высоких широтах его меньше, чем в умеренных; над океаном меньше, чем над сушей; в дневные часы меньше, чем в ночные. Основным регулятором концентрации углекислого газа служит океан. В океане его примерно в 100 раз больше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что растворимость СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в воде во много раз выше, чем растворимость других атмосферных газов. В результате обмена углекислым газом устанавливается динамическое равновесие между поступлением его из воздуха в воду и из воды в воздух. Растворимость газов в воде зависит от ее температуры. Холодные моря и океаны умеренных и высоких широт поглощают примерно столько же СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, сколько его выделяют в атмосферу океаны в тропическом поясе Земли. В биосфере в процессе фотосинтеза поглощается столько же углекислого газа, сколько выделяется при дыхании живых организмов и разложении органических веществ.
   При сжигании топлива и гниении органических веществ в атмосферу поступает также оксид углерода (СО), который при наличии кислорода восстанавливается до углекислого газа.
   Оксид серы (SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и оксиды азота (которым экологи дали общее название NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), к сожалению, тоже широко распространены в атмосфере; они являются общезагрязняющими веществами.
   Водяной пар содержится в нижних слоях атмосферы и занимает по объему от 0,1 до 4 %. Количество его зависит от воздушных течений и характера земной поверхности. В атмосферу водяной пар поступает в результате испарения влаги с водных поверхностей, с суши, с растительного покрова, а также от снежного и ледяного покровов Земли; он выделяется при дыхании живых организмов, при вулканических извержениях, при получении тепловой и электрической энергии и при некоторых производственных процессах. В результате перемешивания с газами водяной пар распространяется от земной поверхности вверх и ветром переносится на значительные расстояния. С высотой содержание его резко убывает. Благодаря водяному пару в атмосфере образуются облака, из которых могут выпадать осадки.
   Аэрозолями называются твердые частицы и капли, взвешенные в атмосфере. Эти частицы имеют, как правило, небольшие размеры (менее 1 мкм). Более крупные частицы называются пылью. Даже самый чистый воздух всегда содержит аэрозоли. Источники аэрозолей делятся на естественные (испарения морской соли, пыление почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары) и антропогенные (выбросы промышленности, транспорта и за счет эрозии почвы). Аэрозоли влияют на климат и на биоту (т. е. на все живое на Земле). Содержание аэрозолей в атмосфере зависит от месторасположения и времени. Некоторые из них являются ядрами для конденсации водяного пара. К аэрозолям относятся водяные капли и ледяные кристаллы; мелкая пыль; сажа и пепел, попадающие в воздух при пожарах и горении лесов и торфяников; почвенная, космическая и вулканическая пыль; пыльца растений и т. д. При восходящем движении воздуха аэрозоли поднимаются на большие высоты; горизонтальными потоками воздуха (ветром) они переносятся на большие расстояния. С высотой содержание аэрозолей резко убывает.
   Аэрозолем является также смесь дыма с туманом (смог). Смог может переноситься воздушными потоками на расстояние 100–200 км от источника загрязнения.
   В атмосфере содержатся радиоактивные газы (в том числе радон), концентрацию которых очень сложно определить. Во взвешенном состоянии в воздухе находятся и такие твердые радиоактивные вещества, как стронций 90, уран 239, йод 131. В атмосферу поступает большое количество радиоактивных веществ, которые переносятся воздушными потоками и сохраняются в ней на протяжении десятилетий, так как характеризуются большими периодами полураспада.
   В атмосфере постоянно образуются электрически заряженные молекулы, имеющие электрический потенциал; они называются ионами. Ионы делятся на легкие и тяжелые. Легкие ионы могут оседать на аэрозолях, взвешенных в атмосфере, образуя более крупные и тяжелые ионы с массами, во много раз большими, чем масса легких ионов. В нижнем слое атмосферы в 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха содержится несколько сотен легких ионов и от нескольких сотен до десятков тысяч тяжелых, а на больших высотах происходит расслоение газов по плотности, увеличивающееся с высотой, в то время как на высоте до 100 км газы перемешиваются и не расслаиваются по плотности. Другие газообразные примеси (кроме азота, кислорода и аргона) и кислые газы, озон, аммиак в силу своего большого молекулярного веса притягиваются к земной поверхности. Выше 100 км стремление к равновесию преобладает над перемешиванием и содержание более тяжелых газов с высотой уменьшается быстрее, чем содержание более легких: процентное содержание аргона, более тяжелого, чем азот и кислород, с высотой уменьшается. Молекулы кислорода на высоте около 200 км разлагаются на заряженные атомы. Азот в высоких слоях атмосферы также частично находится в атомарном состоянии.
   Выше 100 км атмосфера состоит из гелия и водорода, причем преобладает атомарный водород. Атмосфера и космическое пространство связаны между собой, поэтому различные атомы и атомные ядра из космоса проникают в атмосферу, из которой, в свою очередь, в мировое пространство вылетают легкие газы. Водород, покидающий атмосферу, образует вокруг Земли геокорону, плотность которой по мере удаления от Земли уменьшается, и на расстоянии 3000 км геокорона полностью переходит в космическое пространство.
   Большая часть атмосферы сосредоточена в относительно тонком слое, прилегающем к земной поверхности. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в тропосфере – в слое до высоты примерно 5,5 км, 75 % – до высоты около 11 км, 95 % – в слое до высоты 20 км.
   В результате человеческой деятельности за последнее столетие состав атмосферы изменился в худшую сторону. С середины XIX века по 1975 год общее содержание в ней углекислого газа увеличилось на 12–15 %. Локальный же рост концентрации СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в промышленных центрах еще более значителен. В больших городах (мегаполисах) концентрация этого газа может достигать 0,1–0,2 % при одновременном снижении в воздухе содержания кислорода. Углекислый газ явился основной причиной появления парникового эффекта. Основными источниками выбросов СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(а также NО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) в больших городах являются автотранспорт (до 80 % от общего количества загрязняющих веществ), ТЭЦ и другие топливосжигающие промышленные производства. Экологи считают, что относительная вредность этих трех газов определяется соотношением 20: 12: 1, причем на первом месте располагаются оксиды азота, на втором – оксид серы, на третьем – углекислый газ. Оксиды азота более агрессивны, чем оксид серы. Оксиды азота принимают активное участие в возникновении и расширении озоновых дыр (наряду с фреонами, NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

разрушает озоновый слой); вместе с СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

инициируют парниковый эффект; после растворения в водяных каплях облаков с образованием слабых азотной и азотистой кислот выпадают на землю в виде кислотных дождей. Оксид серы (сернистый ангидрид) попадает в атмосферу при сжигании твердого или жидкого топлива с большим содержанием серы или при работе химических и металлургических предприятий. Для атмосферы городов особенно опасно применение при выработке тепла и электроэнергии высокосернистого мазута и использование дизельного топлива в автотранспорте. В настоящее время в крупных городах применяют жидкое топливо со сниженным содержанием серы или переходят на сжигание природного газа.
   Диоксид серы, угарный газ (СО) и диоксиды азота отличаются большим временем жизни в атмосфере. Превышения концентрации этих газов над фоновой концентрацией в атмосфере весьма значительны: SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– в 50—300 раз; СО – в 80—1250 раз; NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– до 25 раз.
   Для климата Земли большую опасность представляет выброс в атмосферу хлорфторуглеводородов, в частности фреонов. Они применяются в холодильном производстве в виде хладагентов, имеют большое время жизни (более года) и обладают свойством разрушать озоновый слой. Наибольшую концентрацию из этих газов имеют метилхлорид, дихлордифторметан и фтортрихлорметан.
   Одним из главных компонентов атмосферы является метан (CH -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Этот газ участвует в образовании парникового эффекта. Концентрация метана в воздухе постоянно растет – за последние 20 лет она увеличилась на 10 %, причем максимумы концентрации метана приходятся на весну и осень, а минимумы – на зиму и лето.
   Прошлый век «подарил» человечеству неизвестные прежде газообразные вещества, чуждые биоте, – ксенобиотики. Из-за чрезвычайно опасного воздействия на человека их еще называют суперэкотоксикантами. Эти вещества очень медленно разлагаются под действием природных процессов, иногда – десятки лет. Их главным переносчиком является воздушная среда. К суперэкотоксикантам относятся диоксины, бенз-α-пирен, ДДТ, полихлорированные бифенилы. Их отличает очень низкая предельно допустимая концентрация (ПДК). Суперэкотоксиканты образуются главным образом при сжигании полиэтилена в условиях недостатка кислорода, при работе мусоросжигающих заводов и сжигании бытового мусора на свалках.
   Радиоактивные газы (в основном радон) характерны для нижних (подстилающих) слоев атмосферы и имеют выход в местах образования геологических разломов и при захоронении мусора.
   Выбросы в атмосферу других загрязняющих ее газов (например, аммиака, сероводорода, бутана) носят, как правило, локальный характер.
   Вместе с газами промышленные предприятия и транспорт ежегодно выбрасывают огромное количество сажи, шлаков, пыли, каменноугольной смолы, органических кислот, углеводородов.
   Наибольшее количество аэрозолей содержится в нижних слоях атмосферы.
   Загрязнение атмосферы, обусловленное смесью вредных газов, паров и аэрозолей, является фотохимическим смогом. Он оказывает вредное воздействие на человеческий организм, на животных и растения. В крупных городах локальное загрязнение воздуха носит характер экологического бедствия.
   Основным экологическим требованием к чистоте воздуха является следующий норматив: сумма отношений реальной концентрации вредных веществ к их ПДК должна быть меньше единицы.
   В городах основными средствами борьбы с загрязнением воздуха являются их озеленение и перевод предприятий на сжигание природного газа. Каждое предприятие должно в обязательном порядке проходить экологическую экспертизу.
   В природе постоянно происходят процессы самоочищения воздуха. Но в последнее время природа уже не справляется с антропогенным воздействием на нее, и в атмосфере происходит глобальный рост концентрации некоторых газов, что приводит к отрицательным климатическим, медико-биологическим и экономическим последствиям. На сжигание топлива расходуется большое количество кислорода. Если наметившиеся в последние десятилетия темпы роста потребления топлива сохранятся и в дальнейшем, то, по прогнозам ученых, за 50 лет будет израсходовано около 1,0 % свободного кислорода, содержащегося в атмосфере.
   Озон представляет собой трехатомный кислород. Он образуется в атмосфере на высоте от 15 до 70 км под влиянием грозовых разрядов и окисления органических веществ, а в высоких слоях – под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, тем самым защищая от нее все живое на Земле. Да и сама жизнь возникла после того, как содержание кислорода превысило 1 % и в атмосфере смог образовываться слой озона. Если условно собрать весь озон при нормальном давлении, то приведенная толщина его слоя составит всего 3 мм. Но и этого небольшого количества достаточно для того, чтобы поглотить 3 % солнечной радиации и на высоте 30–55 км повысить температуру атмосферы.
   Антропогенное воздействие на природу в настоящее время приводит к резкому снижению концентрации озона и образованию над Землей озоновых дыр. По данным метеорологических исследований уже сейчас над Антарктидой образовалась озоновая дыра размером более площади этого континента; она же наблюдается над Тасманией и Огненной Землей. Над Арктикой также появилась озоновая дыра, правда меньшего размера. Уменьшение толщины слоя озона происходит и над низкими широтами, особенно над расположенными в этих широтах крупными промышленными городами (в том числе над Москвой). В настоящее время толщина озонового слоя продолжает уменьшаться: по данным НАСА, среднее снижение концентрации озона с 1969 по 1986 год составило 3 %.
   Главными причинами снижения содержания озона в высоких слоях атмосферы являются выбросы хлорфторуглеродов (ХФУ) и оксидов азота. ХФУ настолько активны, что один атом хлора может превратить 100 тыс. молекул озона в молекулы кислорода. Оксиды азота опасны тем, что, несмотря на меньшую реакционность по сравнению с ХФУ, этих газов выбрасывается в воздух значительно больше, так как без сжигания органического топлива (в том числе бензина) человек обходиться еще не может. В небольших концентрациях озон полезен для человека, но при высоких концентрациях в приземных слоях воздуха он становится вредным для органического мира, так как является мощным окислителем. Особенно опасен озон в составе фотохимического смога.
   Другой важнейшей экологической и метеорологической проблемой в настоящее время стало возникновение парникового эффекта. Человечество в последние десятилетия выбросило (и продолжает выбрасывать) в атмосферу огромное количество так называемых парниковых газов – диоксида углерода, ХФУ, метана и оксидов азота. Механизм парникового эффекта заключается в том, что слой парниковых газов, окутывающих Землю как одеяло на высоте нескольких километров, препятствует возвращению потока «лишней» солнечной энергии в Космос после его отражения от Земли. Этот слой частично отражает тепловой поток и возвращает его обратно на Землю, нарушая при этом ее тепловой баланс и изменяя климат на Земле. Вследствие парникового эффекта земной шар нагревается тем больше, чем больше парниковых газов выбрасывается в атмосферу. Рост глобальной температуры всего на 4,5 °C до 2050 года приведет к катастрофическим последствиям: на полюсах начнут интенсивно таять ледники, в результате чего на 0,5–1,5 м повысится уровень океана и прибрежные низменные земли будут затоплены; урожайность сельскохозяйственных культур снизится из-за интенсивного размножения вредителей; метеорологические закономерности (осадки, ветры, циклоны и морские течения) изменятся; теплые ветры, самумы и ураганы участятся при увеличении их силы на 50 %; Гольфстрим изменит свое направление, из-за чего похолодает в Европе; уменьшится темп роста деревьев; многие болезни (например, малярия) усилятся и будут мигрировать к северу и югу от экватора.
//-- Вертикальное расслоение атмосферы --//
   Наиболее сильное изменение метеорологических параметров происходит по вертикали. Например, температура по вертикали изменяется в сотни раз быстрее, чем по горизонтали. С учетом изменения по вертикали температуры, давления, состава, электрических свойств и других характеристик воздуха, атмосферу разделяют на ряд слоев (сфер), показанных на рис. 1.1.

   Рис. 1.1. Строение атмосферы: а – распределение температуры (а -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– в тропиках, а -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– в холодной полярной зоне); b -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и b -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– распределение озона в тропической и полярной зонах; с – тропопауза тропическая; d – тропопауза полярная; e – струйное течение субтропическое; f – струйное течение полярное; g – стратопауза; h – мезопауза; i – турбопауза; j – уровень диссипации – ускользания атомов H и H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; k – слой стратосферного аэрозоля; l -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, l -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, l -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, l -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, l -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– тропосферные облака: перистые, высококучевые, кучевые, кучево-дождевые, фронтальные; э – экзосфера

   Наиболее отчетливо различие слоев атмосферы проявляется в характере распределения температуры воздуха с высотой. По этому признаку выделяют пять основных сфер: тропосферу (в среднем до высоты 11 км), стратосферу (от 11 до 50–55 км), мезосферу (от 50–55 до 90 км), термосферу (от 90 до 450 км) и экзосферу (свыше 450 км). Между этими слоями имеются прослойки относительно небольшой вертикальной протяженности. Их называют паузами. Например, между тропосферой и стратосферой находится тропопауза. Между остальными сферами располагаются соответственно стратопауза, мезопауза и термопауза.
   Тропосфера – самый нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности. Ее высота зависит от времени года, широты места, а также от характера циркуляции воздуха. На одной и той же широте верхняя граница тропосферы опускается зимой и поднимается летом. В одно и то же время года вертикальная протяженность тропосферы в умеренных широтах составляет 9—12 км, к полюсам она уменьшается до 8—10 км, а к экватору возрастает до 16–18 км. Над областями повышенного давления верхняя граница тропосферы опускается, а над областями пониженного давления поднимается. В тропосфере наблюдаются перемещения воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также интенсивное его перемешивание. В тропосфере находится основная масса водяного пара; здесь происходит образование облаков, выпадение осадков, наблюдаются другие метеорологические явления. Характерная особенность тропосферы – убывание температуры с высотой. На каждые 100 м высоты температура убывает в среднем на 0,65 °C. Средняя годовая температура на верхней границе тропосферы составляет примерно —55 °C в умеренных широтах, —75 °C над экватором, —65 °C над Северным полюсом зимой и —47 °C – летом. Вертикальная протяженность тропопаузы колеблется от нескольких сотен метров до 1–2 км. За ее нижнюю границу принимается высота, на которой температура перестает уменьшаться с высотой или начинает повышаться. На уровнях, близких к тропопаузе, наблюдаются потоки воздуха в виде узких течений с очень большими скоростями (150–300 км/ч). Эти потоки называются струйными течениями.
   Над тропопаузой до высоты около 50 км простирается стратосфера, характеризующаяся ростом температуры с высотой. До высоты 35 км этот рост происходит очень медленно, а выше 35 км температура быстро растет и на верхней границе стратосферы достигает среднегодового значения около 0 °C с отклонением ±20 °C. Рост температуры воздуха с высотой в стратосфере объясняется поглощением солнечной радиации озоном. На верхней границе стратосферы температура испытывает резкие колебания в зависимости от времени года и широты места, связанные с колебаниями слоя озона.
   Водяной пар в стратосфере содержится в небольшом количестве, поэтому обычные облака в этом слое не образуются. Изредка на высотах 20–25 км наблюдаются перламутровые облака. В стратосфере также происходят интенсивная циркуляция воздуха и его вертикальные перемещения.
   Над стратопаузой расположена мезосфера. До высоты около 80 км в мезосфере наблюдается падение температуры с высотой до значений 90 °C. Наблюдения за движением метеорных зондов и данные, полученные с помощью ракет, свидетельствуют о том, что скорость ветра в мезосфере достигает 150 м/с. Уменьшение температуры с высотой дает основание предполагать наличие в мезосфере интенсивного перемешивания воздуха. В мезосфере на высотах 82–85 км иногда наблюдаются серебристые облака. Над мезосферой расположена мезопауза.
   Выше лежит термосфера, в которой температура возрастает с высотой. По косвенным данным и результатам ракетных наблюдений температура на высоте 150 км равна примерно 220–240 К, на высоте 200 км достигает 500 К, а на верхней границе термосферы превышает 1000 К. Рост температуры с высотой объясняется поглощением ультрафиолетовой радиации атомарным кислородом и азотом. Однако температура на указанных высотах характеризует только энергию движения молекул. Постороннее же тело, помещенное на эту высоту, вследствие очень сильной разреженности воздуха не воспринимает от него столь высокую температуру. Температура искусственных спутников Земли, космических кораблей, ракет на этих высотах в основном определяется поглощаемой ими лучистой энергией.
   Экзосфера (сфера рассеяния) – внешний слой атмосферы – простирается до земной короны и постепенно переходит в межпланетное пространство. Температура в экзосфере возрастает с высотой предположительно до 2000 К. В экзосфере газы находятся в весьма разреженном состоянии и частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не сталкиваются друг с другом.
   В атмосфере имеется слой с высокой электрической проводимостью, образующийся в результате интенсивной ионизации воздуха космическими лучами, ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Нижняя граница этого слоя расположена на высоте 60–80 км, а верхняя достигает нескольких сотен километров. Этот слой называется ионосферой.
   Слой атмосферы, расположенный между высотами 20 и 55 км и содержащий основную массу озона, называется озоносферой.
   По характеру взаимодействия с земной поверхностью атмосферу разделяют на пограничный слой, нижний слой высотой 11,5 км и свободную атмосферу, расположенную выше этого слоя. Пограничный слой характеризуется суточными изменениями метеорологических величин. Самую нижнюю часть пограничного слоя (высотой 50—100 м), примыкающую к земной поверхности, называют приземным слоем. В этом слое потоки тепла и водяного пара мало изменяются с высотой.
//-- Горизонтальная неоднородность тропосферы --//
   Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Изменение метеорологических величин по горизонтали происходит неравномерно. Вся тропосфера разделяется на обширные области с относительно однородными условиями погоды и на сравнительно узкие полосы, в которых происходит резкое изменение метеорологических величин.
   Большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие относительно однородными свойствами и перемещающиеся в одном из течений общей циркуляции атмосферы, называются воздушными массами.
   В Северном полушарии различают следующие воздушные массы:
   1) арктический воздух, формирующийся за Полярным кругом, в Арктическом бассейне и над примыкающими к нему частями материков;
   2) умеренный воздух, формирующийся в умеренных широтах;
   3) тропический воздух, формирующийся в тропических и субтропических областях, а летом иногда в южных районах умеренных широт над континентом;
   4) экваториальный воздух, формирующийся в экваториальной зоне и иногда переходящий из одного полушария в другое.
   В зависимости от поверхности, над которой сформировались воздушные массы, их разделяют на морские и континентальные.
   Воздушные массы в тропосфере находятся в непрерывном движении, т. е. перемещаются из очага своего формирования в другие области.
   По термической классификации воздушные массы разделяют на холодные и теплые. Холодной называется воздушная масса, приход которой вызывает похолодание в данном районе. Холодная масса обычно движется на более теплую подстилающую поверхность. Теплой называется воздушная масса, приход которой в данный район вызывает потепление. Теплая масса движется на более холодную подстилающую поверхность. Воздушные массы постоянно взаимодействуют между собой.
   В пределах одной воздушной массы метеорологические величины изменяются незначительно. При переходе же из одной воздушной массы в другую происходит скачкообразное изменение метеорологических величин. Переходные зоны между соседними воздушными массами, в которых метеорологические величины быстро изменяются в горизонтальном направлении, называются фронтальными зонами или фронтальными поверхностями. Часто их называют просто фронтами. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха, но угол ее наклона составляет лишь несколько угловых минут.
   Фронты разделяют на холодные и теплые. Если надвигается холодный воздух и клином подтекает под отступающий теплый, вытесняя его вверх, то фронт называется холодным. Когда же надвигается теплый воздух, который постепенно натекает на отступающий холодный воздух, то фронт называется теплым.
   Исходя из географической классификации воздушных масс принято различать три главных фронта: арктический – между арктическим и умеренным воздухом, фронт умеренных широт – между умеренным и тропическим воздухом, тропический – между тропическим и экваториальным воздухом.

1.3. Лучистая энергия в атмосфере и у поверхности Земли

   Солнце является главным, практически единственным источником тепла на Земле. С ним несравнимы тепло глубин Земли (энергия извержения вулканов, тепло геотермальных вод), которое в 5000 раз меньше излучения Солнца; тепло распада радиоактивных веществ; энергия сжигания органического топлива, энергия приливов и отливов, энергия ветра; радиация звезд и Луны, которая меньше солнечной в тридцать миллионов раз. Почти все природные процессы, происходящие на поверхности Земли и в атмосфере, протекают под действием лучистой энергии, поступающей на Землю от Солнца.
   Характеристикой электромагнитных волн является их длина. Для метеорологии основными являются короткие (от 0,1 до 4,0 мкм) и длинные (от 4,0 до 100 мкм) волны. Волны длиной от 0,01 до 0,39 мкм называются ультрафиолетовыми (эта радиация невидима); видимый свет имеет диапазон длин волн от 0,40 до 0,76 мкм; радиация с длиной волны от 0,76 до нескольких сотен мкм называется инфракрасной и, так же как и ультрафиолетовая, невидима. Солнечная радиация на 99 % является коротковолновой. Таким образом, Солнце является источником тепла и света, так необходимыми для жизни на Земле.
   Для метеорологии наиболее важным является распространение потоков лучистой энергии в атмосфере Земли. Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы, поглощается и рассеивается в атмосфере. Радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей, называется прямой. Земной поверхности достигает значительная часть прямой радиации, пришедшей к верхней границе атмосферы.
   Часть солнечной радиации рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолями: она называется рассеянной. Солнечная энергия, до рассеяния распространявшаяся в виде параллельных лучей, после взаимодействия с твердыми или жидкими частицами, которые всегда находятся в атмосферном воздухе, идет по всем направлениям. Голубой цвет неба определяется именно рассеянием солнечного света.
   Та часть солнечной радиации, которая отражается и от земной поверхности, и от атмосферы Земли (в основном от облаков), называется отраженной. При падении на земную поверхность солнечных лучей радиация в большей своей части поглощается в тонком верхнем слое почвы или в более толстом слое воды и превращается в тепло, но не полностью – значительная ее часть отражается от поверхности Земли. Поверхностный слой земного шара (включая поверхность суши и воды) в метеорологии называется деятельным слоем. Нижняя поверхность деятельного слоя носит название деятельной или подстилающей поверхности.
   Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на какую-либо поверхность, называется альбедо этой поверхности; оно обозначается буквой А и выражается в процентах. Рассеянная радиация составляет около 26 % от общего потока солнечной энергии, т. е. альбедо Земли равно 26 %.
   Количественно лучистая энергия характеризуется потоком радиации. Поток радиации – это количество лучистой энергии в единицу времени на единицу поверхности. В системе единиц СИ поток радиации выражается в Вт/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. При измерении потоков света часто бывает необходимо знать положение Солнца на небесном своде, которое зависит от его координат: высоты, азимута, склонения, часового угла.
   Высота центра солнечного диска (или высота Солнца) h -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– угловое расстояние его от горизонта, т. е. угол между линией, соединяющей глаз наблюдателя с Солнцем, и плоскостью горизонта. Высота Солнца на широте ф в момент, когда склонение Солнца составляет 8 и часовой угол равен т, определяется по формуле:

Количество прямой радиации, приходящей к Земле практически параллельными лучами в единицу времени на единицу поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, называется плотностью потока прямой радиации; обозначается буквой S. На единицу горизонтальной (или наклонной) поверхности попадает часть этой энергии S', которая зависит от угла падения солнечных лучей Л -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; она определяется по формуле:

   Каждый тип деятельной поверхности Земли, кроме свойства поглощать длинноволновую радиацию солнечной энергии (поглощательная способность), имеет свойство излучать это тепло (излучательная способность). Эта способность зависит от температуры почвы или воды, а также от относительной излучательной способности той или иной деятельной поверхности. Например, наибольшей излучательной (и поглощательной) способностью обладают снег и вода (0,995). Чернозем имеет величину относительной излучательной способности 0,87, песок – 0,89, гравий – 0,91, редкая трава – 0,94, ржаное поле – 0,93.
   Таким образом, Земля и ее атмосфера пропорционально их температурам непрерывно излучают невидимую инфракрасную радиацию. При этом излучение Земли почти полностью поглощается атмосферой. Часть излучения атмосферы, которая направлена к Земле, называется встречным излучением атмосферы Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Другая часть атмосферного излучения, которая направлена вверх и, проходя через все слои атмосферы, уходит в мировое пространство, называется уходящим излучением атмосферы Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(оно составляет 37–38 % от общего излучения). Земная и атмосферная радиация, так же как и солнечная, частично поглощается и отражается атмосферой.
   Все эти потоки лучистой энергии отличаются друг от друга по спектральному составу и по длинам волн. О спектральном составе встречного излучения можно судить исходя из того, что длинноволновую радиацию деятельного слоя в атмосфере поглощают главным образом водяной пар и углекислый газ, но количество углекислого газа в атмосфере незначительно по сравнению с количеством водяного пара. Поэтому длинноволновую радиацию в основном поглощает водяной пар. Он же является и одним из основных источников встречного излучения.
   Таким образом, деятельная поверхность, теряя тепло излучением, в то же время получает некоторое количество тепла от поглощаемой ею части встречного излучения атмосферы. В естественных условиях на деятельной поверхности взаимодействуют два потока длинноволновой радиации: земное излучение Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и поглощенная часть встречного излучения атмосферы δE -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Разность этих потоков составляет потерю тепла деятельной поверхностью в виде лучистой энергии. Она называется эффективным излучением Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и определяется по формуле:

   Эффективное излучение деятельной поверхности определяется ее температурой, а также температурой и влажностью воздуха. С повышением температуры деятельной поверхности ее эффективное излучение увеличивается, а с ростом температуры и влажности воздуха уменьшается. Большое влияние на эффективное излучение оказывает облачность: чем больше количество облаков и чем они плотнее, тем меньше эффективное излучение. Объясняется это тем, что водяные капли, составляющие облако, излучают тепло почти так же, как и деятельная поверхность. Если температура облака близка к температуре деятельной поверхности, то Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

≈ Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

≈ 0. Если же температура облака выше температуры деятельной поверхности, то эффективное излучение становится отрицательным, т. е. расход длинноволновой радиации становится меньше ее прихода.
   Благодаря интенсивному поглощению длинноволновой радиации водяным паром, а отчасти также углекислым газом и озоном, атмосфера задерживает большую часть излучения деятельного слоя. В то же время она сравнительно свободно пропускает к земной поверхности коротковолновую солнечную радиацию.
   Если бы Земля была лишена атмосферы, то средняя температура ее деятельной поверхности была бы не +15,0 °C, как это наблюдается в действительности, а —23,0 °C, т. е. она была бы на 38,0 °C ниже фактически наблюдаемой.
   Радиационным балансом деятельной поверхности называется разность между всеми приходящими на эту поверхность и уходящими от нее потоками лучистой энергии, т. е. разность между приходом и расходом радиации на этой поверхности. Если поверхность горизонтальна, то к приходной части баланса относятся прямая радиация S', рассеянная радиация D и встречное излучение атмосферы Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Расход радиации слагается из отраженного коротковолнового излучения R -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, длинноволнового излучения деятельной поверхности Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и отраженной от нее части встречного излучения атмосферы R -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Если приходные части потоков радиации считать положительными, а расходные – отрицательными, то баланс длинноволновой радиации можно записать в виде:

что представляет собой эффективное излучение, взятое с обратным знаком. Баланс коротковолновой радиации выражается соотношением:

т. е. представляет собой поглощенную часть коротковолновой радиации. Баланс коротковолновой радиации можно записать следующим образом:

   где А – альбедо поверхности.
   Уравнение полного радиационного баланса деятельной поверхности можно получить, сложив В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

:

   Радиационный баланс представляет собой фактический приход или расход лучистой энергии на деятельной поверхности, от которого зависит, будет ли происходить ее нагревание или охлаждение. Если приход лучистой энергии больше ее расхода, то радиационный баланс является положительным и поверхность нагревается. Если же приход меньше расхода, то радиационный баланс отрицателен и поверхность охлаждается. Этот баланс является одним из основных климатообразующих факторов. От него зависит тепловой режим не только почвы или водоемов, но и прилежащих к ним слоев атмосферы. Знание радиационного баланса имеет большое значение при расчетах испарения, при изучении формирования и изменения воздушных масс, при исследовании влияния солнечной радиации на человека и на растительный мир.
   Радиационный баланс в каждом конкретном месте можно вычислить для определенного момента (мгновенный, или минутный) или за какой-нибудь промежуток времени (сутки, месяц, год). Радиационный баланс в целом, как и отдельные его элементы, зависит от многих факторов. Особенно сильно на него влияют высота Солнца, продолжительность солнечного сияния, характер и состояние деятельной поверхности (в том числе температура почвы и воздуха, влажность и плотность атмосферы, излучательная способность подстилающей поверхности), прозрачность атмосферы, содержание в ней водяного пара, облачность.
   Мгновенный (минутный) баланс днем обычно положителен, особенно летом. Примерно за час до захода Солнца (исключая зимнее время) расход лучистой энергии начинает превышать ее приход и радиационный баланс становится отрицательным. Примерно через час после восхода Солнца он снова становится положительным. В течение ночи радиационный баланс обычно изменяется мало, но под влиянием переменной облачности он может в значительной степени изменяться.
   Годовые суммы радиационного баланса положительны на всей поверхности суши и океанов, кроме районов с постоянным снежным или ледяным покровом. Севернее 40° с. ш. и южнее 40° ю. ш. зимние месячные суммы радиационного баланса отрицательны, причем период с отрицательным балансом увеличивается в направлении к полюсам. Так, в Арктике эти суммы положительны только в летние месяцы, на широте 60° – в течение семи месяцев, а на широте 50° – в течение девяти месяцев. Годовые суммы радиационного баланса меняются при переходе с суши на море.
   Радиационный баланс системы «Земля—атмосфера» В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

представляет собой баланс лучистой энергии в вертикальном столбе атмосферы сечением 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, простирающемся от деятельной поверхности до верхней границы атмосферы. Его приходная часть состоит из солнечной радиации, поглощенной деятельной поверхностью и атмосферой, а расходная – из той части длинноволнового излучения земной поверхности и атмосферы, которая уходит в мировое пространство:

   где q' – солнечная радиация, поглощенная атмосферой; E -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– уходящее длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы.
   Энергию Солнца можно использовать для технических и бытовых целей: отопления и освещения, опреснения воды, сушки фруктов и овощей и др. Чтобы достигнуть рентабельности солнечных установок, надо размещать их там, где приход солнечной энергии значителен и, главное, где достаточное количество солнечных (безоблачных) дней в году.
   В России использование солнечной энергии в современной практике осуществляется путем преобразования ее в тепловую и электрическую энергию.
   Для достижения температуры теплоносителя более 100 °C применяется метод концентрации солнечной энергии. Концентраторами являются зеркальные отражатели различной формы, собирающие солнечные лучи в своем фокусе. Тело, помещенное в фокусе хорошего зеркала, может быть нагрето до 3000–4000 °C.
   Максимум солнечной радиации приходится на летние месяцы. С увеличением широты годовые суммы поступающей радиации уменьшаются.
   В июне-июле с увеличением широты суточные и месячные суммы поступающей радиации увеличиваются.
   Солнечная энергия является возобновляемым и экологически чистым источником энергии; ее использование позволяет не только экономить органическое топливо, но и защищать окружающую среду от выброса вредных веществ, которым сопровождалось бы сжигание этого топлива, если бы не было сэкономлено.

1.4. Тепловой режим почвы и водоемов

//-- Условия нагревания и охлаждения почвы --//
   Темные почвы, обладающие сравнительно малой отражательной способностью, днем нагреваются, а ночью охлаждаются сильнее, чем светлые. При положительном радиационном балансе тепло от деятельной поверхности передается в более глубокие слои, а часть его передается атмосфере. При отрицательном радиационном балансе тепло из глубины почвы и частично из воздуха, наоборот, поступает к деятельной поверхности.
   Важную роль для нагревания или охлаждения почвы играют конденсация водяного пара и испарение воды, происходящие на деятельной поверхности. При конденсации выделяется скрытая теплота парообразования, идущая на нагревание почвы. При испарении тепло переходит в скрытое состояние и теряется почвой. Некоторое количество тепла в почве затрачивается также на химические и биологические процессы: усвоение питательных веществ корнями растений, растворение солей и т. д.
   Нагревание и охлаждение почвы в большой степени зависит от ее теплоемкости, коэффициента теплопроводности и коэффициента температуропроводности. Различают удельную и объемную теплоемкость. Удельной теплоемкостью с называется количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы почвы на 1 К. Объемной теплоемкостью с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

называется количество тепла, необходимое для нагревания единицы объема почвы на 1 К. Удельная теплоемкость выражается в Дж/(кг · К), объемная – в Дж/(м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

· К).
   В метеорологии в основном используется объемная теплоемкость. Для различных минеральных составных частей почвы она колеблется от 0,84 до 1,68 МДж/(м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

· К). Однако объемная теплоемкость в значительной степени зависит от пористости и влажности почвы, т. е. от того, заполнены ли ее поры водой или воздухом.
   Пористость почвы характеризуется отношением объема пор к общему объему взятого образца почвы в процентах. Под влажностью почвы понимают отношение массы воды, имеющейся в почве, к массе абсолютно сухой почвы в процентах. Объемная теплоемкость воды равна 4,19 МДж/(м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

· К), а воздуха – 1,256 кДж/(м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

· К). Теплоемкость различных почв зависит от их химического состава и от количества воздуха и воды, находящихся в порах. Чем больше в почве воды и меньше воздуха, тем больше ее теплоемкость. Теплоемкость сухих почв, поры которых заполнены воздухом, меньше теплоемкости влажных почв, поры которых заполнены водой. В связи с этим сухие почвы при заданном притоке или отдаче тепла нагреваются и охлаждаются сильнее, чем влажные. Мерой теплопроводности почвы служит коэффициент теплопроводности λ, численно равный количеству тепла, проходящего за 1 секунду через основание столба почвы сечением 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и высотой 1 м, если разность температур на верхнем и нижнем его основаниях равна 1 К. Коэффициент теплопроводности выражается в Вт/(м · К). У различных минеральных составных частей почвы λ изменяется примерно от 0,4 до 2,5 Вт/(м · К).
   Поскольку у неподвижной воды λ = 0,54 Вт/(м · К), а у неподвижного воздуха λ = 0,02 Вт/ (м · К), то К почвы, как и ее теплоемкость, в значительной мере зависит от пористости и влажности почвы. При проникновении воды в почву воздух, содержащийся в порах, вытесняется водой, и λ почвы увеличивается.
   При замерзании почвы ее коэффициент теплопроводности увеличивается, так как у льда λ = 2,03 Вт/(м · К), т. е. больше, чем у воды. Определенное влияние на теплопроводность почвы оказывает также ее температура. Однако этим влиянием можно пренебречь, так как оно значительно слабее влияния влажности. Таким образом, при рассмотрении тепловых свойств почвы в первую очередь необходимо учитывать ее пористость и влажность. Изменение этих факторов может изменить тепловые характеристики почвы в два и более раз. Температура почвы также зависит от структуры почвы. Так, например, при прочих равных условиях температура поверхности рыхлой почвы днем выше, а ночью ниже, чем поверхности плотной почвы, так как рыхлая почва обладает меньшим коэффициентом теплопроводности. Кроме того, рыхлая почва имеет шероховатую поверхность, которая днем поглощает, а ночью излучает больше радиации, чем более гладкая поверхность плотной почвы. Нагревание и охлаждение почвы обратно пропорционально ее объемной теплоемкости, а скорость распространения тепла в глубину прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности. Отношение коэффициента теплопроводности почвы λ к ее объемной теплоемкости с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

называется коэффициентом температуропроводности, определяемым по формуле:

   Коэффициент k численно соответствует повышению температуры единицы объема почвы в результате притока к ней тепла и показывает, насколько быстро происходит выравнивание температуры вышележащих и нижележащих слоев почвы. Учитывая зависимость объемной теплоемкости и коэффициента теплопроводности почвы от ее пористости и влажности, можно показать, что коэффициенты температуропроводности различных минеральных частей почвы, а также воздуха сравнительно близки между собой, тогда как у воды они во много раз меньше.
   С увеличением влажности почвы коэффициент теплопроводности увеличивается быстрее, чем теплоемкость. Поэтому, несмотря на малые значения k воды, влажные почвы обладают большими коэффициентами температуропроводности, чем сухие.
//-- Суточный ход температур поверхности почвы --//
   Изменение температуры поверхности почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход температур поверхности почвы в среднем за большой период времени представляет собой периодические колебания с одним максимумом и одним минимумом. Минимум наблюдается перед восходом солнца, когда радиационный баланс отрицателен, а нерадиационный обмен теплом между поверхностью и прилегающими к ней слоями почвы и воздуха незначителен. С восходом Солнца, по мере увеличения радиационного баланса, температура поверхности почвы растет и достигает максимума в 13–14 часов. Затем начинается ее понижение за счет уменьшения радиационного баланса. После 13–14 часов расход тепла поверхностным слоем почвы преобладает над приходом и происходит понижение температуры поверхности, продолжающееся до утреннего минимума.
   Кривая суточного хода температур представляет собой волнообразную линию, низшая точка которой характеризует минимум, а высшая – максимум.
   В отдельные дни правильный суточный ход может нарушаться непериодическими изменениями, связанными с прохождением атмосферных фронтов, влиянием облачности, выпадением осадков и другими факторами. Хорошо выражен суточный ход температур поверхности почвы в теплое время года при установившейся ясной погоде. Разность между максимальной и минимальной температурами за сутки называется амплитудой суточного хода. На нее влияют следующие факторы:
   1. Время года. Летом амплитуды наибольшие, а зимой наименьшие. В средней полосе европейской части РФ летние амплитуды составляют в среднем 10—20 °C, а иногда достигают еще больших значений. Зимой амплитуды в среднем равны 5—10 °C.
   2. Широта места. Амплитуда суточного хода температур поверхности почвы определяется главным образом полуденной высотой солнца, которая уменьшается с возрастанием широты. Поэтому амплитуда тоже уменьшается с увеличением широты места. Наибольшие амплитуды наблюдаются в субтропических пустынях, где велико эффективное излучение и, следовательно, происходит сильное ночное охлаждение почвы. Наименьшие амплитуды отмечаются в полярных странах.
   3. Облачность. В пасмурную погоду амплитуда температур меньше, чем в ясную. Облака днем задерживают прямую солнечную радиацию, а ночью значительно уменьшают эффективное излучение. В ясную погоду наблюдаются большая суммарная радиация днем и большое эффективное излучение ночью.
   4. Теплоемкость и теплопроводность почвы. Амплитуда находится в обратной зависимости от теплоемкости почвы. Чем больше теплоемкость почвы, тем меньше она нагревается днем и охлаждается ночью, т. е. тем меньше амплитуда колебаний ее температуры. Такой же характер имеет зависимость амплитуды от теплопроводности почвы.
   5. Цвет почвы. Амплитуда хода температур поверхности темных почв значительно больше, чем светлых, так как поглощательная и излучательная способность темных поверхностей больше, чем светлых.
   6. Растительный и снежный покров. Растительный покров уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры поверхности почвы, так как он препятствует нагреванию ее солнечными лучами днем и защищает от сильного излучения ночью. В зимнее время аналогичную роль играет снежный покров, который благодаря своей малой теплопроводности предохраняет поверхность почвы от ночного охлаждения. Поверхность самого снега может ночью охлаждаться очень сильно вследствие большой относительной излучательной способности. Но днем из-за большого альбедо поверхность снега нагревается мало и потому амплитуда, несмотря на низкий ночной минимум, остается не очень большой.
   7. Экспозиция (расположение) склонов. На температуру поверхности почвы и амплитуду ее суточного хода оказывает влияние экспозиция склонов. Южные склоны холмов нагреваются сильнее северных, а западные – сильнее восточных.
   Многолетнемерзлый грунт почти непроницаем для дождевой воды. В результате этого летом деятельная поверхность над ним всегда влажная. В области этого грунта очень много болот. Значительная часть выпадающей здесь дождевой воды не проникает глубоко в почву, а быстро стекает в реки, создавая летние паводки. Этот грунт замедляет развитие деревьев, корни которых не могут развиваться в слоях почвы с температурами, близкими к 0 °C. Обнаружение в его слоях останков мамонтов дает основание предполагать, что эти слои образовались еще в ледниковый период. Существование такого грунта поддерживается условиями современного климата. В настоящее время обнаруживаются признаки его отступления или разрушения там, где происходит потепление климата, и там, где его разрушению способствует деятельность человека. Опыт показывает, что снятие мохового покрова, удаление растительности, уплотнение почвы приводит к увеличению глубины верхней границы слоя многолетнемерзлого грунта. Наоборот, покрывая почву искусственным малотеплопроводным покровом, можно поднять его слой. Парниковый эффект, к сожалению, будет способствовать разрушению мерзлых грунтов.
//-- Процессы нагревания и охлаждения водоемов --//
   Поверхностный слой воды, как и почвы, хорошо поглощает инфракрасную радиацию. Относительная излучательная способность воды также мало отличается от излучательной способности других естественных поверхностей. Таким образом, условия поглощения и отражения длинноволновой радиации в водных бассейнах и в почве различаются мало. Иначе обстоит дело с коротковолновой радиацией. Вода, в отличие от почвы, представляет для нее прозрачное тело. Поэтому короткие волны, особенно фиолетовые и ультрафиолетовые, проникают в воду на довольно значительную глубину, где радиационное нагревание происходит в слое воды толщиной несколько метров.
   Существенные различия теплового режима водоемов и почвы вызываются следующими причинами:
   1. Теплоемкость воды в 3–4 раза больше теплоемкости почвы. Поэтому для одинакового их нагревания вода должна получить больше тепла, чем почва. Если к воде и почве поступает одинаковое количество тепла или они отдают одинаковое количество тепла, то температура воды изменится меньше.
   2. Частицы воды обладают большой подвижностью, поэтому в водоемах передача тепла в глубь воды происходит не путем молекулярной теплопроводности, как в почве, а в результате более интенсивного процесса – турбулентного перемешивания. Оно состоит в том, что при движении воды в ней создаются вихри, беспорядочно перемещающиеся во всех направлениях и способствующие сильному перемешиванию воды и интенсивному переносу тепла. Вследствие турбулентного перемешивания перенос тепла в глубь водоемов при прочих одинаковых условиях оказывается в 1000—10 000 раз сильнее переноса его в почве. Охлаждение воды ночью и в холодное время года происходит еще быстрее, чем ее нагревание днем и летом. В этом случае к турбулентности присоединяется термическая конвекция. Она состоит в том, что охлажденные верхние слои воды вследствие увеличивающейся плотности опускаются вниз, а их место занимает относительно теплая вода, поднимающаяся из более глубоких слоев. Термическая конвекция в воде прекращается при осеннем ее охлаждении, когда температура во всех слоях воды достигает +4 °C, так как при этой температуре плотность пресной воды наиболее высока. После этого верхние слои интенсивно охлаждаются и замерзают.
   В океанах и морях большую роль в перемешивании слоев воды и связанной с ним передаче тепла играет также и испарение. При значительном испарении с поверхности моря верхние слои воды становятся более солеными и плотными, вследствие чего они опускаются. Перемешивание воды в морях и океанах происходит также под влиянием течений и поверхностных волн.
   В результате того что нагревание и охлаждение в водных бассейнах распространяется значительно глубже, чем в почве, изменение температуры поверхности водоемов происходит медленнее и оказывается меньше, чем изменение температуры поверхности почвы. В суточном ходе минимальная температура поверхности водоемов наступает через два-три часа после восхода Солнца, а максимальная – в 15–16 часов, т. е. как минимум, так и максимум наблюдаются позднее, чем на поверхности почвы. Амплитуда суточного хода температур поверхности океана в умеренных широтах составляет всего 0,1–0,2 °C, в тропических широтах – 0,5 °C. В южных морях России она равна 12 °C, а на больших озерах умеренных широт достигает 25 °C. Суточные колебания температуры поверхности воды проникают в глубь водных бассейнов на 15–20 м, а в отдельных случаях (при сильном перемешивании воды) – глубже (до 50–70 м).
   В годовом ходе температуры поверхности водоемов в Северном полушарии минимум наступает в феврале-марте, а максимум – в августе, т. е. также несколько позднее, чем на поверхности почвы. Амплитуда годового хода температур поверхности океанов в тропических широтах составляет около 2–3 °C, в умеренных – 5–8 °C. На внутренних морях и глубоководных озерах она достигает 20 °C и более.
   Глубина проникновения годовых колебаний температуры в водоемы составляет 200–400 м.
   В суточном ходе потока тепла в почве положительные его значения обычно отмечаются днем, а отрицательные – чаще всего ночью. Роль потока тепла в почве особенно заметна ночью, а в годовом ходе – зимой, когда деятельная поверхность компенсирует потерю тепла излучением в основном именно за счет поступления тепла из более глубоких слоев.
   Поток тепла в водных бассейнах при одинаковых вертикальных градиентах температуры во много раз больше потока тепла в почве. Так, например, суточные и годовые суммы потока тепла в водоемах примерно в 20–30 раз больше, чем в почве. Благодаря интенсивному перемешиванию воды в толще морей и океанов накапливается большая часть тепла, поступающего летом на их поверхность. В зимнее же время водные поверхности значительное количество тепла отдают воздуху.
   Данные о температуре почвы находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Особенно широко они используются в сельском хозяйстве. От температуры почвы в большой степени зависит интенсивность процессов разложения органических веществ, растворения различных солей, гниения и др. Нормальная жизнедеятельность почвенных микроорганизмов может протекать только при некоторых определенных температурах. Температура почвы обусловливает также прорастание семян, появление всходов, скорость начального роста растений. Особенно важны данные о температуре почвы в переходное время года, когда температура на фоне положительных среднесуточных значений на некоторое время опускается ниже 0 °C (заморозки).
//-- Тепловое загрязнение водоемов --//
   Излишняя теплота поверхностных вод является своеобразным загрязняющим фактором. Она носит антропогенный характер, и основным ее источником является охлаждающая вода, используемая в электростанциях. Процесс получения тепла и электроэнергии на этих станциях сопровождается выбросом в окружающую среду (реки и озера) огромного количества горячей воды из технологических охладителей (градирен). Крупная электростанция забирает большое количество воды из ближайшего водоема, пропускает ее через градирню и нагревшуюся воду возвращает в тот же водоем. Этот способ охлаждения теплоносителя является наиболее дешевым и поэтому широко применяется во всем мире. С экологической точки зрения наиболее опасен слив горячей воды в озера и реки с медленным течением. Повышение температуры воды приводит к снижению концентрации растворенного в ней кислорода, что, в свою очередь, делает водные организмы менее устойчивыми к болезням, паразитам и токсичным химическим выбросам. При этом массы водорослей погибают, оседают на дно и разлагаются. Ценные породы рыб вымирают от кислородного голодания; на их место приходят малоценные рыбы, которым для жизни требуется меньше кислорода. Слив горячей воды на мелководье мешает откладыванию икры и убивает рыбную молодь. Строительство новой ТЭЦ или резкое повышение мощности существующей электростанции приводит к так называемому термальному шоку и гибели большого количества водных организмов, привыкших к определенной температуре воды. Дополнительным отрицательным эффектом является гибель рыбы на решетках засасывающих воду устройств. Забор охлаждающей воды из малых озер производится из придонного слоя, наиболее богатого питательными веществами, что также ухудшает качество водоема (приводит к его эвтрофикации).
   Снижения теплового загрязнения водоемов можно добиться следующими путями: повышением энергоэффективности; уменьшением числа электростанций, сбрасывающих тепло в один и тот же водоем; сокращением сброса горячей воды в экологически уязвимых зонах; заменой мокрых градирен на сухие (в них за счет охлаждения воды нагревается не вода, а воздух).
//-- Термометры для измерения температуры поверхности почвы --//
   При проведении метеорологических измерений на метеорологических станциях и постах чаще всего применяются стеклянно-жидкостные термометры.
   Основными частями жидкостного термометра являются наполненный жидкостью стеклянный резервуар, соединенный с капиллярной трубкой, свободный конец которой запаян (одним концом она впаяна в стенку резервуара). С резервуаром и капилляром скреплена пластинка с температурной шкалой и спаянная с верхней частью резервуара цилиндрическая стеклянная оболочка, внутри которой укреплены (с помощью скобок, пружины, втулок и др.) капилляр и шкала. Термометры более простой конструкции изготовлены из толстостенных капиллярных трубок. Один конец трубки запаян, второй расширен и переходит в резервуар, заполненный жидкостью; шкала нанесена непосредственно на капиллярной трубке.
   В качестве термометрической жидкости для термометров используют ртуть или окрашенный спирт.
   Метеорологические термометры в зависимости от их назначения могут отличаться конструктивно – формой, размерами, шкалами, диапазоном измерений, термической инерцией, термометрической жидкостью. В зависимости от назначения и конструкции термометра объем в капилляре над жидкостью вакуумируется или наполняется газом. Чувствительность всех метеорологических термометров обеспечивает возможность отсчета с точностью 0,1 °C. Для измерения температуры выше —35 °C применяют ртутные термометры (точка плавления ртути составляет 38,87 °C), а ниже —35 °C – спиртовые. Измерение температуры выше +25 °C спиртовыми термометрами не рекомендуется, так как при более высокой температуре спирт частично переходит в парообразное состояние (его точка кипения 78,5 °C).
   Для измерения температуры почвы чаще всего применяются термометры ртутные метеорологические коленчатые (термометры Савинова), которые выпускаются комплектом по четыре термометра, отличающихся длиной (290, 350, 450 и 500 мм) за счет разной длины подшкальной части. Они предназначены для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см. Цена деления шкалы – 0,5 °C, пределы – от —10 до +50 °C. Вблизи резервуара термометр для удобства считывания показаний изогнут под углом 135°. Капилляр на участке от резервуара до начала шкалы покрыт теплоизоляционной оболочкой, что уменьшает влияние на показания термометра слоя почвы, лежащего над его резервуаром, и обеспечивает более точное измерение температуры на глубине, на которой установлен резервуар.
   Установки с почвенно-вытяжными термометрами ТПВ-50 предназначены для измерения температуры почвы и грунта на нескольких глубинах от 20 до 320 см.
   Термометр-щуп походный почвенный АМ-6 предназначен для измерения температуры почвы в пахотном слое на глубинах от 3 до 40 см. Он состоит из термометра и оправы. Термометр жидкостный толуоловый длиной 580 мм со шкалой от 0 до +60 °C. Минимальное деление шкалы – 1 °C. Оправа обеспечивает возможность погружения термометра в почву на нужную глубину. На нижнем конце оправы с помощью втулки из термоизоляционного материала укрепляется металлический наконечник. Вверху оправы имеется рукоятка, с помощью которой погружают и извлекают термометр с оправой из почвы. Термометр закреплен в оправе с помощью резиновых прокладок, изоляционной ленты и пружины. Его шкала находится против продольного окна оправы, а его резервуар – внутри полости наконечника. Окно оправы закрыто пластинкой из органического стекла. Для обеспечения теплового контакта резервуара термометра с наконечником свободное пространство между его стенками и резервуаром заполняется медными опилками. На оправе, на противоположной окну стороне, нанесены сантиметровые деления с оцифровкой через каждый сантиметр; нуль шкалы совпадает с местом расположения резервуара термометра. По этой шкале определяют глубину погружения термометра.
   Отсчеты показаний термометров производят с точностью до 0,1 °C, независимо от цены деления шкалы. Для обеспечения такой точности необходимо соблюдать определенные правила производства измерений и их последовательность.
   Сначала определяют положение конца столбика жидкости на капилляре относительно шкалы. При этом глаз располагают так, чтобы визирная линия была перпендикулярна капилляру и проходила через верхнюю (нижнюю) точку мениска столбика ртути (спирта). При правильном расположении глаза видимые через капилляр отметки шкалы в месте отсчета и вблизи него не искажаются; при низком расположении глаза штрихи будут казаться в средней части изогнутыми кверху, а при слишком высоком расположении глаза – изогнутыми книзу. Правильность расположения глаза при отсчетах по палочным термометрам можно определить по зеркальным изображениям отметок шкалы.
   Отсчеты следует делать быстро. В первую очередь отсчитывают десятые доли градуса, а затем – целые градусы. При обработке результатов измерения в показания термометров вводят поправки из поверочного свидетельства прибора. Каждый термометр должен проходить поверку по всей шкале и соответствовать Международной практической температурной шкале (МПТШ– 68). Термометры подвергают контрольной поверке в соответствии с установленными для каждого типа термометра сроками.

1.5. Тепловой режим атмосферы

//-- Процессы нагревания и охлаждения воздуха --//
   Тепловой режим атмосферы – это распределение и изменение температуры в ней. Тепловой режим атмосферы определяется теплообменом воздуха с окружающей средой – с деятельной поверхностью Земли и космическим пространством.
   Солнечными лучами нижние слои атмосферы (тропосфера) нагреваются незначительно; главным источником нагревания тропосферы является тепло, которое она получает от деятельной поверхности Земли. Днем приход радиации на деятельную поверхность преобладает над отдачей его тепла излучением и деятельная поверхность нагревается, становится теплее воздуха – ее тепло передается воздуху. Ночью деятельная поверхность теряет тепло за счет излучения и становится холоднее воздуха; атмосфера отдает тепло почве, в результате чего сама она охлаждается. Перенос тепла между деятельной поверхностью и атмосферой, а также в самой атмосфере определяется следующими процессами:
   1. Молекулярная теплопроводность. Воздух, соприкасающийся с деятельной поверхностью, обменивается с ней теплом посредством молекулярной теплопроводности. Однако, вследствие того что коэффициент молекулярной теплопроводности неподвижного воздуха сравнительно невелик, этот вид теплообмена тоже весьма мал по сравнению с другими процессами теплопередачи.
   2. Турбулентное перемешивание воздуха. Атмосферный воздух находится в постоянном движении. Движение его отдельных небольших объемов имеет неупорядоченный, хаотический характер. Этот процесс называется турбулентностью. Кроме теплообмена, турбулентность оказывает сильное влияние на многие метеорологические процессы: образование облаков, ветер, выпадение осадков (в том числе загрязненных). За счет турбулентного перемешивания атмосферы происходит интенсивный перенос тепла из теплых ее слоев в холодные. Летом в полуденные часы над сушей турбулентный поток тепла при одинаковом градиенте температуры примерно в 10 000 раз больше молекулярного.
   3. Тепловая конвекция. Тепловой конвекцией в метеорологии называется упорядоченный перенос объемов воздуха в вертикальном направлении, происходящий в результате интенсивного нагрева нижнего слоя атмосферы. Более легкие теплые объемы воздуха поднимаются, а их место занимают более тяжелые холодные, которые затем также нагреваются и поднимаются вверх. Тепловая конвекция сначала возникает как движение отдельных небольших струй, объемов и вихрей, которые сливаются и перемешиваются между собой. При этом образуется мощный восходящий поток, который сопровождается компенсирующими его нисходящими потоками воздуха в соседних районах. Вместе с перемешиванием объемов воздуха происходит перенос тепла от его более нагретых слоев к менее нагретым. Над сушей тепловая конвекция возникает в результате неравномерного нагревания разных участков деятельной поверхности почвы. Над морем она также возникает тогда, когда водная поверхность теплее прилежащих слоев атмосферы. Над менее крупными водоемами такое положение создается в холодное время года и в ночные часы. Конвективный перенос тепла при благоприятных условиях может охватывать по вертикали всю тропосферу.
   4. Радиационный теплообмен. Некоторую роль в передаче тепла от почвы к атмосфере играет длинноволновое излучение деятельной поверхностью, поглощаемое нижними слоями атмосферы. Последние, нагреваясь, таким же способом последовательно передают тепло вышележащим слоям. В период охлаждения поверхности радиационный поток тепла направлен от вышележащих слоев атмосферы вниз. Над сушей этот поток проявляется главным образом в ночные часы, когда турбулентность ослаблена, а тепловая конвекция отсутствует.
   5. Испарение влаги с деятельной поверхности и последующие конденсация (превращение пара в жидкость) и сублимация (превращение пара в твердое вещество) водяного пара в атмосфере. При конденсации и сублимации выделяется теплота, которая идет на нагревание окружающего воздуха.
   Из перечисленных процессов теплообмена между деятельной поверхностью и атмосферой основная роль принадлежит турбулентному перемешиванию и тепловой конвекции. Изменения температуры, происходящие в результате описанных процессов в некотором объеме воздуха, принято называть индивидуальными, так как они характеризуют изменение теплового состояния определенного количества воздуха. Однако температура в определенном месте может изменяться также в результате перемещения воздуха в горизонтальном направлении. Этот процесс называется адвекцией. При адвекции тепла в определенное место поступает воздух, имеющий более высокую температуру, чем воздух, находившийся здесь раньше, а при адвекции холода – воздух, имеющий более низкую температуру. Адвекция приводит к изменению температуры не только в тропосфере, но и в стратосфере.
   От характера деятельной поверхности зависят процессы нагревания и охлаждения прилегающего к ней слоя атмосферы. Тепловые воздействия суши и водной поверхности на атмосферу неодинаковы: деятельная поверхность суши отдает воздуху большую часть получаемого ею лучистого тепла (35–50 %), чем поверхность водоемов, которая большую часть получаемого тепла отдает более глубоким слоям. Значительное количество тепла, поступающего в атмосферу от водоемов, затрачивается на испарение воды и лишь незначительная его часть расходуется на нагревание воздуха. В связи с этим в периоды нагревания суши воздух над ней оказывается теплее, чем над водной поверхностью. Если же деятельная поверхность охлаждается за счет излучения, то суша, не накопившая достаточного запаса тепла, сравнительно быстро охлаждается и охлаждает прилегающие слои воздуха.
   Океаны, моря и большие водоемы в теплое время года накапливают значительное количество тепла. В зимнее время они отдают его атмосфере, поэтому она над водными поверхностями зимой теплее, чем над сушей.
   Поверхности материков являются неоднородными. Леса, болота, степи, поля отдают воздуху неодинаковое количество тепла. Кроме того, почвы различных видов (чернозем, песок, торф) также оказывают разное термическое влияние на атмосферу.
   В зимнее время снежный покров способствует понижению температуры находящегося над ним воздуха, что объясняется его большой относительной излучательной и отражательной способностью.
   На температуру воздуха существенное влияние оказывает и растительный покров. Густой растительный покров поглощает почти всю приходящую к нему радиацию; за счет этого прилегающий к ней воздух днем прогревается, а по направлению вверх от его поверхности температура убывает. Ночью над поверхностью растительного покрова в результате ее излучения воздух оказывается наиболее холодным. В редком растительном покрове охлажденный воздух несколько опускается по сравнению с уровнем покрова с более густой листвой. В этом случае деятельной поверхностью является не внешняя поверхность растительности, а более низкая поверхность. Днем воздух над растительным покровом нагревается сильнее, а ночью охлаждается меньше, чем над оголенной почвой, что объясняется большой теплоемкостью растительного покрова, а также тем, что часть лучистой энергии, поступающей на растительный покров, расходуется в нем на различные физические и биологические процессы, главным образом на испарение и фотосинтез.
   Максимальные и минимальные температуры воздуха в лесу наблюдаются над кронами деревьев или (если листва редкая) несколько ниже крон. Поэтому наибольшие амплитуды температур воздуха отмечаются над кронами, а выше и ниже крон они уменьшаются. Вообще в среднем температура в лесу ниже, чем в поле. Повышая ночные минимумы и понижая дневные максимумы, лес сглаживает суточные колебания температур, что является одним из его экологических достоинств. Амплитуды суточного хода температур воздуха в лесу приблизительно на 2 °C меньше, чем в поле.
   Города оказывают значительное (чаще всего отрицательное) влияние на температуру воздуха. В летнее время жилые здания, городские сооружения и дорожное покрытие, нагреваясь, отдают свое тепло воздуху. Поэтому температура воздуха в городе оказывается выше, чем за городом. Особенно велико это различие вечером, когда городские здания и сооружения, сильно нагретые днем, постепенно отдают свое тепло воздуху. Кроме того, в городе почти отсутствуют участки открытой почвы и сравнительно малы площади растительного покрова, поэтому меньше затрат тепла идет на испарение, что также способствует повышению температуры воздуха в городе. Значительную роль в увеличении температуры воздуха над городами играют антропогенные факторы: выброс тепла от систем теплоснабжения, от различных предприятий и от транспорта, что приводит к ухудшению экологической ситуации в городах. Суточный ход температур на примере города Павловска показан на рис. 1.2.

   Рис. 1.2. Средний суточный ход температур: летом (а) и зимой (б): 1 – в воздухе на высоте 2 м; 2 – на поверхности почвы

   Из рисунка видно, что амплитуды в ясные и пасмурные дни отличаются друг от друга. На амплитуду влияют облачность, изменения уровня солнечной радиации, адвекция (приток горизонтальных воздушных масс с другой температурой). Ход температур усредняется за многолетний период; в этом случае он имеет почти синусоидальный вид. Суточная амплитуда хода температур воздуха главным образом зависит от температуры почвы, которая, в свою очередь, зависит от облачности: в ясную погоду она выше, чем в пасмурную.
   Суточная амплитуда меняется по широте местности, а также зависит от рельефа местности и типа почвы. С увеличением широты (т. е. ближе к экватору) она убывает. Рельеф почвы влияет на амплитуду так, что на склонах гор и холмов она меньше, чем на равнине; тип почвы определяет амплитуду хода температур воздуха следующим образом: чем больше суточная амплитуда хода температур почвы (например, в степи или в пустыне, где она может достигать 30 °C), тем выше амплитуда хода температур воздуха. На суточном ходе температур воздуха сказывается и близость водных бассейнов – в приморской местности амплитуда меньше, чем в глубине суши.
   Зимой в городах вследствие понижения прозрачности воздуха уменьшается эффективное излучение. Поэтому температура воздуха в городе и зимой на 0,5–1,0 °C (а иногда и больше) выше, чем в его окрестностях, причем чем крупнее город, тем эта разница существеннее.
   Основной характеристикой хода температур является их амплитуда, которая, в частности, представляет собой разность среднемесячных температур самого теплого и самого холодного месяцев года.
   Максимум суточного хода температур приходится на 14–15 часов, а минимум – на время вскоре после восхода Солнца.
   Годовой ход температур воздуха на различных широтах показан на рис. 1.3.

   Рис. 1.3. Годовой ход температур воздуха на широте 62° с.ш. в Торсхавне и Якутске: 1 – Торсхавн; 2 – Якутск

   Годовой ход температур воздуха характеризуется более постоянной амплитудой температур; летние температуры выше, а зимние ниже.
   Годовая амплитуда температур растет с увеличением географической широты. В Северном полушарии максимум температур приходится на июль, а минимум – на январь. Амплитуда годовых колебаний температур воздуха зависит и от высоты местности над уровнем моря: с увеличением высоты она уменьшается. Погодные условия влияют на годовой ход следующим образом: отсутствие облачности зимой способствует понижению средней температуры самого холодного месяца, а летом – повышению температуры самого теплого месяца. Влияние водных объемов на годовую амплитуду температур весьма велико, и оно тем выше, чем интенсивнее обмен воздушных масс, образующихся над водной поверхностью и сушей.
   Годовой ход температур бывает четырех типов: экваториальный, тропический, тип умеренного пояса и полярный тип. Они отличаются между собой величиной амплитуды и временем наступления экстремальных температур.
   Одной из самых важных характеристик атмосферы является вертикальный градиент температуры воздуха – это ее изменение на каждые 100 м высоты, определяемое по формуле:

   где высоты выражены в метрах, а градиент температуры – в °С/100 м.
   Вертикальный градиент температуры положителен при падении температуры с высотой. Если температура в слое с высотой растет (т. е. происходит процесс инверсии), то вертикальный градиент температуры в нем отрицателен. Если температура в слое с высотой не изменяется (изотермия), то вертикальный градиент температуры в нем равен нулю.
   Значения вертикального градиента температуры меняются не только в зависимости от высоты, но и в зависимости от времени суток, времени года и других факторов. Особенно большие изменения в пространстве и времени претерпевает вертикальный градиент температуры в пограничном и приземном слоях атмосферы. Значения вертикального градиента температуры в различных слоях атмосферы используются при составлении прогнозов погоды, при экологическом прогнозировании, для метеорологического обслуживании полетов самолетов и космических аппаратов.
   Средний по высоте и по времени вертикальный градиент температуры в тропосфере в основном составляет около 1 °C/100 м. Но в отдельные моменты в тонком слое атмосферы, непосредственно прилегающем к земной поверхности, он может во много раз превосходить это среднее значение. Зная вертикальный градиент температуры, можно определить температуру на любом уровне Z, если известна температура to на нижнем уровне, по формуле:

   где z – высота, м.
   Точки, соответствующие температурам на разных высотах, соединяются отрезками прямой, и получается ломаная линия, характеризующая распределение температуры с высотой. Эта линия называется кривой стратификации. До высоты 1500 м температура уменьшается с высотой, от 1500 до 2000 м отмечается изотермия, от 2000 до 2500 м – инверсия, а выше 2500 м температура снова уменьшается с высотой.
   В метеорологии широко используется понятие адиабаты. Адиабатическими процессами, протекающими в воздухе, называются изменения температуры и давления газа, происходящие без обмена теплом с окружающей средой. Если некоторый объем воздуха движется вверх, он попадает в слои с меньшим давлением и расширяется. На работу расширения затрачивается внутренняя энергия объема, в результате чего температура поднимающегося воздуха уменьшается. При опускании объема воздуха давление увеличивается, воздух сжимается и работа внешних сил сжатия переходит во внутреннюю энергию воздуха, что приводит к повышению его температуры.
   Вертикальные перемещения больших объемов воздуха на небольшие расстояния происходят почти без обмена теплом с окружающей средой, т. е. их можно считать адиабатическими. В атмосфере, особенно в нижнем ее слое, чисто адиабатические процессы не происходят; в ней, в частности, происходит обмен теплом между воздухом и деятельной поверхностью. Адиабатический процесс нарушается также частичным перемешиванием объемов воздуха. Для сухого или влажного ненасыщенного воздуха характерно протекание в атмосфере так называемых сухоадиабатических процессов, когда вертикальный градиент температур не превышает 1 °C.
   Термической стратификацией слоя атмосферы называется характер распределения в этом слое температуры воздуха с высотой.
   В зависимости от вертикального распределения температуры слой воздуха находится в состоянии устойчивого, безразличного или неустойчивого равновесия.
   Предположим, что некоторый объем воздуха при порыве ветра или при нагреве поднялся вверх. Если этот объем в результате своего адиабатического охлаждения окажется холоднее и потому плотнее окружающего воздуха на той высоте, куда он поднялся, то он будет стремиться опуститься обратно на исходный уровень. Такое равновесие является устойчивым. Если объем воздуха, адиабатически (т. е. без обмена тепла с окружающей средой) поднятый на некоторую высоту, приобретает в результате подъема такую же температуру, какую имеет окружающий воздух на этой высоте, то он здесь и останется. Такое равновесие является безразличным. Если же адиабатически поднятый объем воздуха на некоторой высоте окажется теплее окружающего воздуха, то он будет продолжать подниматься. Такое равновесие атмосферы является неустойчивым.
   Определим зависимость стратификации атмосферы от вертикального градиента температуры.
   Предположим, что некоторый объем сухого воздуха или воздуха с ненасыщенным паром начал подниматься от Земли под влиянием внешнего импульса (препятствие, порыв ветра и т. п.). При этом он будет адиабатически охлаждаться на 1,0 °C на каждые 100 м подъема. В результате на высоте 100 м этот объем окажется на 0,5 °C холоднее окружающего воздуха и, как более плотный, начнет опускаться. Такое равновесие атмосферы является сухоустойчивым.
   Во втором случае вертикальный градиент температуры равен 1 °C/100 м. Температура поднимающегося объема на всех уровнях равна температуре окружающего воздуха на тех же уровнях. Следовательно, состояние атмосферы будет сухобезразличным.
   В третьем случае вертикальный градиент температуры равен 1,5 °C/100 м. Рассуждая как и в первом случае, можно убедиться, что поднимающийся воздух уже на высоте 100 м станет на 0,5 °C теплее окружающего и потому будет продолжать двигаться вверх. При этом разность температур поднимающегося и окружающего воздуха будет увеличиваться. Равновесие атмосферы окажется сухонеустойчивым.
   Инверсии заметно влияют на развитие различных атмосферных процессов. В частности, слои инверсии имеют наиболее устойчивую стратификацию и препятствуют развитию восходящих движений воздуха.
   Инверсия характеризуется высотой нижней границы инверсионного слоя, вертикальной его протяженностью (толщиной) и скачком температуры, т. е. разностью температур на верхней и нижней границах слоя. По высоте нижней границы инверсии разделяются на приземные, т. е. начинающиеся от деятельной поверхности, и инверсии свободной атмосферы, возникающие на той или иной высоте. Толщина инверсионных слоев изменяется от нескольких метров до 23 км, а скачок температуры – от 2 до 10 °C и более.
   Приземные инверсии. В зависимости от условий образования они разделяются на радиационные и адвективные.
   Радиационные инверсии возникают при охлаждении приземного слоя атмосферы, соприкасающегося с деятельной поверхностью, которая охлаждается за счет отдачи тепла излучения. По мере удаления от деятельной поверхности температура воздуха повышается. Таким образом, в нижнем слое атмосферы температура с высотой растет. Такие инверсии летом развиваются ночью, а зимой – днем. В связи с этим радиационные инверсии разделяют на летние (ночные) и зимние:
   – летние (ночные) инверсии начинают развиваться вечером, после захода Солнца. В течение ночи они усиливаются и утром достигают максимальной толщины и глубины. После восхода Солнца деятельная поверхность и прилегающий к ней воздух прогреваются, и инверсия разрушается. Толщина ночных инверсий зависит от длительности выхолаживания воздуха и от интенсивности турбулентного перемешивания. Она колеблется от 10–15 до 200–400 м. Развитию ночных инверсий благоприятствует ясное небо и слабый ветер;
   – зимние инверсии в ясную погоду, когда охлаждение деятельной поверхности изо дня в день увеличивается, могут сохраняться несколько суток и даже недель, немного ослабевая днем и снова усиливаясь ночью. Толщина таких инверсий составляет несколько сотен метров, а иногда достигает 2 км и более. Толщина инверсии иногда достигает 3 км, а скачок температуры – 15 °C. Особенно усиливаются радиационные инверсии при неоднородном рельефе местности. Охлаждающийся воздух стекает в низины и котловины, где ослабленное турбулентное перемешивание способствует его дальнейшему охлаждению.
   Адвективные инверсии образуются при адвекции теплого воздуха, т, е. при горизонтальном натекании теплого воздуха на более холодную деятельную поверхность. Примером может служить натекание теплого морского воздуха на материк в зимнее время года. В этом случае нижние слои натекающего воздуха отдают часть своего тепла деятельной поверхности, вследствие чего образуется инверсия.
   К адвективным инверсиям относятся весенние (или снежные) инверсии, возникающие при адвекции воздуха, имеющего температуру выше 0 °C, на поверхность, покрытую снегом. На таяние снега нижележащие слои затрачивают большое количество тепла, в результате чего их температура понижается до 0 °C. В вышележащих слоях при этом сохраняются более высокие температуры.
   Инверсии свободной атмосферы. По условиям образования они разделяются на инверсии турбулентности (трения), динамические, антициклонические (сжатия, оседания) и фронтальные:
   – инверсии турбулентности образуются на высоте несколько сотен метров, т. е. над слоем атмосферы, в котором особенно сильно развивается турбулентное перемешивание, обусловленное трением воздуха о поверхность земли. В устойчиво стратифицированном слое атмосферы с ненасыщенным водяным паром в результате турбулентного перемешивания вертикальный градиент температуры увеличивается до 1 °C/100 м. Объясняется это тем, что поднимающиеся порции воздуха адиабатически охлаждаются и понижают температуру вышележащих слоев. Таким же образом опускающиеся порции воздуха нагреваются и повышают температуру нижележащих слоев.
   Инверсия турбулентности является переходным типом от приземной инверсии к инверсии свободной атмосферы. Толщина такой инверсии обычно не превышает нескольких десятков метров;
   – динамические инверсии возникают в слоях с большими скоростями ветра. Причина их образования заключается в том, что воздушный поток, движущийся с большой скоростью, засасывает воздух из выше– и нижележащих слоев, в которых скорость ветра меньше. В результате на верхнем уровне слоя больших скоростей развиваются нисходящие движения, а на нижнем – восходящие. В нисходящих потоках температура воздуха адиабатически растет на 1 °C/100 м, а в восходящих понижается на ту же величину. Таким образом, возникает перераспределение температур и в средней части слоя больших скоростей развивается инверсия;
   – антициклонические инверсии (сжатия, оседания) образуются в областях повышенного давления. Эти инверсии называются приподнятыми. В центре таких областей возникают нисходящие потоки воздуха. Вследствие более высокого давления на нижних уровнях опускающийся воздух сжимается и растекается по горизонтали от центра области к периферии, не достигая земной поверхности. Температура каждой опускающейся порции возрастает на 1 °C/100 м. Порции, опустившиеся из более высоких слоев, проходят большее расстояние по вертикали и поэтому больше нагреваются.
   Если опускающийся воздух был стратифицирован устойчиво, то его устойчивость увеличивается.
   При опускании этого слоя воздух в нем будет сжиматься и растекаться в стороны, в результате чего вертикальная протяженность слоя уменьшится. При этом все частицы, располагающиеся на нижней границе, адиабатически нагреваются до температуры +12 °C, а на верхней границе – до температуры +13 °C. Антициклоническая инверсия образуется чаще всего на высоте 12 км и может иметь большую вертикальную протяженность;
   – фронтальные инверсии образуются во фронтальных зонах, которые являются переходными между холодным и теплым воздухом. В них наблюдается резкое изменение вертикального градиента температуры и может возникнуть изотермия, или инверсия. Высота нижней границы инверсионного слоя над данным пунктом зависит от расстояния между этим пунктом и линией фронта на земной поверхности. Чем дальше находится пункт от линии фронта, тем выше располагается инверсия.
//-- Влияние инверсий на загрязнение атмосферы --//
   На рис. 1.4 приведены типы ситуаций, возникающих при рассеянии шлейфов дымовых выбросов, в зависимости от характера плотностных и температурных стратификаций:

   Рис. 1.4. Рассеяние шлейфов выбросов загрязняющих веществ: 1 – стабильный (веер); 2 – нейтральный внизу, стабильный вверху (дым); 3 – нестабильный (завихрение); 4 – нейтральный (конусный); 5 – стабильный внизу, нейтральный вверху

   1 – сверхадиабатические условия расширения газа на всех высотах, полная устойчивость, стабильный шлейф типа веера, когда рассеяние по горизонтали происходит намного более интенсивно, чем по вертикали;
   2 – приподнятая инверсия; над слоем нейтрального состояния шлейф имеет тенденцию прижиматься к земле, создавая устойчивое загрязнение в приземных слоях;
   3 – неустойчивая стратификация или ветровая турбулентность (задымленность приземного слоя);
   4 – нейтральная стратификация во всем приземном слое (конический шлейф); рассеяние происходит с равной вероятностью как по вертикали, так и по горизонтали;
   5 – условия, когда в нижней части приземного слоя выше нейтральная стратификация или сверхадиабатические условия; рассеяние вверх происходит легче, чем вниз.
   Распространение облака загрязняющих веществ в чистом воздухе при сверхадиабатических (гравитационно-неустойчивых) условиях характеризуется турбулентным переносом и, как следствие, более быстрым рассеянием загрязняющих веществ. При сверхадиабатическом охлаждении (инверсии) воздух быстро теряет свою подъемную силу, так как охлаждается до температур, несколько меньших, чем температура окружающей среды. Например, восходящий воздух из дымовых труб предприятий не может при этом дальше подниматься вверх и сносится ветром в горизонтальном направлении.
   Во второй половине дня инсоляция приводит к повышению температуры подстилающего слоя атмосферы при относительно низких температурах верхних слоев. Следствием этого являются нестабильные условия во второй половине дня. В ночное время преобладающий тепловой поток – это тепловое излучение поверхности Земли, которое приводит к охлаждению поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха. Это способствует успокоению воздушных течений. Утром приповерхностный слой прогревается быстрее, чем более верхние слои, и вновь появляется турбулентность.
   В дневное время приток тепла от Солнца может стать причиной инверсии и застоя в верхних слоях приземного слоя. Эта приподнятая инверсия характеризуется высотой своего расположения и протяженностью ослабленного смешения. Если приподнятая инверсия находится несколько выше дымовой трубы, то дым может и не пробить слой ослабленного смешения, и в таком случае выбросы вредных газов прижимаются к земле.
   С точки зрения рассеяния условия в коническом шлейфе 4 удовлетворительны. Однако с точки зрения безопасности населения следует предпочесть условия 1 и 5. Случай 3 приводит к резким изменениям приземных концентраций вблизи источника и к появлению переменной задымленности. В случае 2 создается устойчивое загрязнение приземных слоев вблизи источника, что особенно опасно, если здесь расположены зоны застройки жилыми зданиями.
//-- Термометры для измерения температуры воздуха --//
   Психрометрический термометр используется для измерения температуры воздуха, а также влажности воздуха. Это ртутный термометр со вставной шкалой из стекла. Длина термометра около 400 мм, диаметр стеклянной оболочки – около 15 мм. Резервуар термометра шарообразной формы диаметром 912 мм. Капилляр термометра круглый с наружным диаметром 2,5 мм. Пространство над ртутью в капилляре заполняется азотом.
   Психрометрические термометры выпускаются с пределами измерений от —31 до +50 °C или от —35 до +41 °C. Цена деления шкалы – 0,2 °C. Числовые отметки шкалы нанесены через каждые 5 °C. Для удобства установки термометра в специальном штативе на верхнем конце его защитной трубки укреплен металлический колпачок. Термометр устанавливается в психрометрической будке в вертикальном положении и применяется в психрометрах, что определяет его название.
   Термометр спиртовой метеорологический низкоградусный (ТМ-9) служит для определения температуры воздуха ниже —35 °C; на метеорологических станциях употребляется как дополнительный к ртутному психрометрическому. Он несколько длиннее психрометрического и отличается от него термометрической жидкостью; резервуар термометра имеет форму цилиндра диаметром около 6 мм. Выпускается с пределами измерений от —71 до 21 °C или от —81 до 11 °C; цена деления шкалы 0,2 °C. Термометр устанавливается вертикально в специальном гнезде штатива рядом с психрометрическим термометром. Измерения с его помощью можно начинать при температуре воздуха —35 °C и ниже. Однако их начинают производить параллельно с психрометрическим ртутным, при температуре воздуха ниже —20 °C.
   Термометр ртутный максимальный служит для измерения максимальной температуры за некоторый промежуток времени. Цена деления его шкалы 0,5 °C; пределы измерений – от —35 до +50 °C или от —20 до +70 °C. Положение конца столбика ртути относительно шкалы соответствует максимальной температуре. Показания этого термометра не должны отличаться от показаний контрольного термометра (например, психрометрического) более чем на 0,2 °C.
   Термометр спиртовой минимальный применяют для измерения минимальной температуры за некоторый промежуток времени. Цена деления его шкалы – 0,5 °C; нижний предел измерений – от —75 до —41 °C, верхний – от +21 до +41 °C. Рабочее положение термометра – горизонтальное. До установки в рабочее положение минимальный термометр приподнимают резервуаром кверху и держат до тех пор, пока штифт не опустится до мениска спирта.
   С течением времени градуировочные характеристики термометров меняются, вследствие чего меняется их систематическая погрешность. Изменения градуировочной характеристики и систематической погрешности этих термометров по характеру их проявления делятся на инерционные, происходящие медленно и вызывающие повышение показаний, и временные, вызывающие понижение показаний.
   Для измерения температуры воздуха часто применяется пращевидный термометр. На его верхнем конце (противоположном от ртутного резервуара) укреплено кольцо, к которому привязывается шнур длиной от 0,5 до 1,0 м. Взяв шнур в руку, оператор быстро вращает термометр в горизонтальной плоскости на высоте двух метров в течение одной-двух минут. Затем делается отсчет температуры. Эту операцию повторяют несколько раз подряд до тех пор, пока два последовательных отсчета не будут разниться на 0,1 °C.

1.6. Водяной пар в атмосфере

   Процесс испарения заключается в том, что молекулы воды, обладающие наибольшими скоростями, преодолевают силы молекулярного сцепления и отрываются от водной или другой испаряющей поверхности. Затем они распространяются в окружающем воздухе в результате молекулярной диффузии, конвекции и турбулентного перемешивания воздуха. Воздушными течениями пар переносится на большие расстояния в горизонтальном направлении. Кроме того, в атмосфере непрерывно происходит обратный процесс – переход молекул водяного пара из воздуха в воду или на поверхность почвы, растительного, снежного и ледяного покровов.
   Вследствие увеличения содержания водяного пара над испаряющей поверхностью число молекул, отрывающихся в единицу времени на единицу площади, быстро становится равным количеству возвращающихся молекул, т. е. между испаряющей средой и находящимся над нею паром устанавливается подвижное равновесие. Водяной пар при этом будет насыщенным.
   Когда количество водяного пара над испаряющей поверхностью становится больше необходимого для насыщения, т. е. когда число возвращающихся молекул начинает превышать число отрывающихся, то результирующим будет процесс, обратный испарению, – конденсация пара на поверхности.
   Количественно испарение характеризуется массой воды, испаряющейся в единицу времени с единицы поверхности. Эта величина называется скоростью испарения и выражается в кг/(с · м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Скорость испарения увеличивается с повышением температуры испаряющей поверхности. Объясняется это тем, что с повышением температуры увеличивается число сравнительно быстро движущихся молекул, способных оторваться от испаряющей поверхности.
   В процессе испарения молекулы воды, переходящие в пар, затрачивают часть своей энергии на преодоление сил сцепления и на работу расширения, связанную с увеличением занимаемого объема при переходе жидкости в газообразное состояние. В результате средняя энергия молекул, остающихся в жидкости, уменьшается и жидкость охлаждается. Для продолжения процесса испарения необходимо дополнительное тепло, которое называется теплотой испарения.
   Теплота испарения уменьшается с увеличением температуры испаряющей поверхности.
   Парциальное давление водяного пара (е), находящегося в воздухе, выражают в гектопаскалях. Значение е с увеличением количества пара в единице объема возрастает до некоторого предельного значения Е, которое соответствует равновесию между паром и водой, т. е. насыщенному состоянию пара. При любой температуре парциальное давление водяного пара е не может превышать давления насыщенного пара Е.
   Насыщение пара над поверхностью капель достигается только при определенном пересыщении плоской поверхности воды. Из приведенных данных видно, что с уменьшением радиуса капли пересыщение увеличивается.
   Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в миллиметрах) слоя воды, испарившейся за единицу времени. Слой воды высотой 1 мм, испарившейся с площади 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, соответствует массе воды 1 кг.
   Интенсивность испарения зависит от многих факторов. Скорость испарения W прямо пропорциональна разности между давлением насыщенного пара Е, вычисленного по температуре испаряющей поверхности, и парциальным давлением водяного пара е, находящегося в воздухе. Кроме того, скорость испарения обратно пропорциональна атмосферному давлению р:

   где А – коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости ветра; Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– начальное давление насыщенного пара.
   Чем больше разность Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– е, тем больше скорость испарения. Если испаряющая поверхность теплее воздуха, то Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

больше, чем Е при температуре воздуха. В таком случае испарение продолжается даже тогда, когда пар в воздухе насыщен, т. е. когда е = Е (но Е < Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Наоборот, если испаряющая поверхность холоднее воздуха, то при достаточно большой относительной влажности может оказаться, что Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

< е. В этом случае W < 0, т. е. испарение сменится конденсацией пара на поверхности, несмотря на то что пар в воздухе еще не стал насыщенным.
   Зависимость скорости испарения от атмосферного давления обусловлена тем, что в неподвижном воздухе молекулярная диффузия усиливается с уменьшением давления: чем оно меньше, тем легче молекулам оторваться от испаряющей поверхности. В связи с тем что атмосферное давление у поверхности земли колеблется в небольших пределах, оно не может существенно изменять скорость испарения. Атмосферное давление приходится учитывать в основном при сравнении скорости испарения на разных высотах в горной местности.
   Скорость испарения находится в сложной зависимости от скорости ветра. Объясняется это тем, что турбулентное перемешивание, от интенсивности которого в значительной степени зависит скорость испарения, резко увеличивается с увеличением скорости ветра. Если испарение происходит в ограниченном объеме воздуха, то через некоторое время пар в этом объеме становится насыщенным и испарение прекращается.
   В естественных условиях испарение происходит в неограниченное пространство, вследствие чего водяной пар распространяется в окружающую среду, а насыщенным он остается лишь в тонком слое, прилегающем к испаряющей поверхности. При неоднородной испаряющей поверхности ветер может вызвать значительное изменение условий испарения в пространстве. Когда воздух переносится с суши на водоем, то скорость испарения с водоема увеличивается, так как в натекающем на него сравнительно более сухом воздухе разность Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– е больше, чем она была над водоемом раньше. При переносе воздуха с водной поверхности на сушу скорость испарения с водоема уменьшается в результате постепенного уменьшения этой разности в воздухе, находящемся над водой.
   На испарение с поверхности почвы большое влияние оказывают ее физические свойства, состояние и другие факторы. Гладкая поверхность испаряет меньше, чем шероховатая, так как у первой меньше испаряющая площадь и над ней слабее развито турбулентное перемешивание. Светлые почвы при прочих равных условиях испаряют меньше, чем темные, потому что они меньше нагреваются. Рыхлая почва с широкими капиллярами испаряет меньше, чем плотная почва с узкими капиллярами. Скорость испарения зависит от степени увлажнения почвы (чем суше почва, тем медленнее происходит испарение) и от глубины залегания грунтовых вод (чем ближе к испаряющей поверхности уровень грунтовых вод, тем больше скорость испарения). На скорость испарения влияет также рельеф местности. На возвышенностях, где воздух более подвижен, испарение происходит быстрее, чем в низинах, ложбинах и долинах, где воздух менее подвижен. На скорость испарения влияет и растительный покров. Он значительно уменьшает испарение непосредственно с поверхности почвы. Однако сами растения испаряют много воды, которую они берут из слоя почвы.
   В течение суток испарение изменяется. Максимум скорости испарения наблюдается около полудня, когда наиболее велики температура испаряющей поверхности, разность Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– е и скорость ветра, т. е. величины, от которых скорость испарения находится в прямой зависимости. В это же время отмечается интенсивное турбулентное перемешивание. Вечером температура испаряющей поверхности постепенно понижается, а разность Е -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– е приближается к нулю, т. е. водяной пар приближается к состоянию насыщения. В связи с этим скорость испарения постепенно уменьшается и иногда становится равной нулю. Если температура испаряющей поверхности опускается ниже значения, при котором пар в воздухе становится насыщенным, испарение сменяется конденсацией или сублимацией водяного пара на поверхности. Наиболее резко суточный ход испарения выражен в теплое время года. В годовом ходе испарения минимум наблюдается в ноябре-декабре, а максимум – в июле.
   Содержание водяного пара в атмосфере оценивают с помощью характеристик влажности воздуха (гигрометрических характеристик). В метеорологии используются следующие гигрометрические характеристики:
   – парциальное давление водяного пара е – давление, которое имел бы водяной пар, находящийся в газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре;
   – дефицит насыщения d – разность между давлением насыщенного водяного пара и его парциальным давлением:

– относительная влажность f – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара над плоской поверхностью дистиллированной воды при данной температуре:

   Относительная влажность выражается в процентах;
   – абсолютная влажность а – масса водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Она обычно выражается в кг/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

или в г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

;
   – массовая доля влаги (удельная влажность) s – отношение массы водяного пара к массе влажного воздуха:

– отношение смеси r – отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха, содержащегося в данном объеме:

   Точка росы t -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, при данном атмосферном давлении становится насыщенным по отношению к незаряженной плоской поверхности дистиллированной воды. Температура, при которой относительная влажность достигает 100 %, является точкой росы (при этом е = Е); она определяется по значению парциального давления водяного пара;
   – дефицит точки росы – разность между температурой воздуха и точкой росы:

//-- Суточный и годовой ход парциального давления водяного пара и относительной влажности воздуха --//
   В приземном слое атмосферы наблюдается хорошо выраженный суточный ход парциального давления водяного пара. Он возникает под влиянием изменений температуры деятельной поверхности и интенсивности турбулентного перемешивания, уносящего пар из нижних в более высокие слои атмосферы.
   Над морями и их побережьями парциальное давление водяного пара имеет суточный ход с одним минимумом перед восходом солнца и максимумом в 14–15 часов. Минимум обусловлен уменьшением скорости испарения в это время суток. Днем по мере увеличения скорости испарения парциальное давление водяного пара в воздухе растет, а турбулентный перенос его вверх компенсируется интенсивным испарением водоема. Таков же суточный ход парциального давления водяного пара и над материками зимой.
   В теплое время года в глубине материков суточный ход парциального давления водяного пара имеет вид двойной волны с минимумами перед восходом Солнца и в 15–16 часов и максимумами в 8—10 и 20–22 часа. После восхода Солнца температура деятельной поверхности повышается, увеличивается скорость испарения и парциальное давление пара в нижнем слое атмосферы быстро растет.
   Такой рост продолжается до 8—10 часов, пока испарение преобладает над переносом пара снизу в более высокие слои. После 8—10 часов сильно возрастает интенсивность турбулентного перемешивания, в связи с чем водяной пар переносится вверх. Этот отток водяного пара снизу уже не успевает компенсироваться испарением, в результате чего парциальное давление пара в приземном слое уменьшается и достигает второго минимума в 15–16 часов, т. е. в период максимального развития турбулентности. Затем турбулентность ослабевает, а земная поверхность еще остается достаточно теплой. Это приводит к интенсивному поступлению водяного пара в атмосферу за счет испарения, в результате чего парциальное давление пара в воздухе начинает расти и в 20–22 часа достигает второго максимума. В ночное время испарение почти прекращается, а расход водяного пара из нижнего слоя атмосферы за счет молекулярной диффузии и турбулентного перемешивания хотя и уменьшен по сравнению с дневными часами, но все же продолжается, в результате чего парциальное давление пара уменьшается.
   Суточный ход относительной влажности зависит от суточного хода парциального давления пара е и давления насыщенного пара Е. С повышением температуры испаряющей поверхности увеличивается скорость испарения и, следовательно, увеличивается е. Но Е растет значительно быстрее, чем е, поэтому с повышением температуры поверхности, а с нею и температуры воздуха, относительная влажность уменьшается и суточный ход ее вблизи земной поверхности оказывается обратным суточному ходу температуры поверхности и воздуха.
   Максимум относительной влажности наступает перед восходом солнца, а минимум – в 15–16 часов (рис. 1.5). Дневное понижение f особенно резко выражено над континентами в летнее время года, когда в результате турбулентного переноса пара вверх е внизу уменьшается, а вследствие роста температуры воздуха Е увеличивается. Поэтому амплитуда суточных колебаний относительной влажности на материках значительно больше, чем над водными поверхностями.

   Рис. 1.5. Суточный ход относительной влажности в Иркутске в июле

   В годовом ходе относительной влажности максимум среднемесячных ее значений отмечается в самый холодный месяц, а минимум – в самый теплый. В местностях с муссонным климатом, где ветры дуют летом с моря, а зимой – с суши, годовой ход относительной влажности противоположен континентальному, т. е. максимум наступает летом, а минимум – зимой. Например, во Владивостоке максимум относительной влажности (89 %) отмечается в июле, а минимум (68 %) – в ноябре.
   Растительный покров оказывает большое влияние на влажность воздуха. Растения испаряют большое количество воды и тем самым обогащают водяным паром приземный слой атмосферы. Этому способствует еще и то, что растительный покров уменьшает скорость ветра, а следовательно, и турбулентный перенос пара. Парциальное давление водяного пара внутри растительного покрова намного выше, чем над ним, особенно в дневные часы. Большое влияние оказывает растительный покров и на относительную влажность. Так, в ясные летние дни внутри посевов ржи и пшеницы относительная влажность на 15–30 % больше, чем над открытым местом.
   Летом в лесу парциальное давление водяного пара несколько больше, чем в поле. Зимой эта разница отсутствует. На относительную влажность лес тоже оказывает существенное влияние. Разность среднесуточной относительной влажности воздуха в кронах деревьев и на открытом месте составляет 8—11 %, а в отдельных случаях достигает 30 %.
   В крупных городах парциальное давление водяного пара и относительная влажность ниже по сравнению с окрестностями. Это обусловлено тем, что в городах с асфальтовым покрытием улиц основная часть выпавших осадков стекает в канализационную сеть, так что испарение с деятельной поверхности оказывается незначительным. Это является экологической особенностью мегаполисов.
//-- Методы измерения характеристик влажности --//
   Вычисление влажности проводится по показаниям станционного психрометра. Вычисление упругости водяного пара и относительной влажности по показаниям психрометра чаще всего осуществляется при помощи психрометрических таблиц.
   Аспирационные психрометры содержат устройство, обеспечивающее протяжку воздуха у резервуаров термометров с постоянной скоростью 2 м/с. Это в значительной мере исключает влияние скорости ветра на показания психрометра. Психрометры выпускаются двух типов: с аспираторами с пружинным механизмом и с электродвигателем.
   Аспирационный психрометр содержит два специальных термометра (один из которых смачивается дистиллированной водой), укрепленных в металлической оправе, состоящей из трубки с тройником.
   Психрометр устанавливают на высоте 2 м. Зимой психрометр устанавливают за 30 мин, а летом за 15 мин до момента отсчета; при установке его ориентируют так, чтобы прямые солнечные лучи не попадали на термометры.
   Смачивание термометра, обвязанного батистом, зимой производят за 30 мин, а летом – за 4 мин до отсчета. Для смачивания термометра пользуются резиновой грушей с пипеткой, прилагаемой к прибору. Зимой термометр смачивают для того, чтобы корка льда на батисте растаяла. Смочив термометр, ключом заводят механизм аспиратора, который в момент отсчета должен работать на полном ходу.
   При проведении отсчетов сначала следует быстро отсчитать десятые доли градуса по сухому и смоченному термометрам, записать результаты и только затем отсчитать и записать целые градусы. При этом необходимо строго следить, чтобы во время отсчетов ветер дул по направлению от прибора к наблюдателю.
   Аспирационный психрометр является самым надежным прибором для определения температуры и влажности воздуха при положительной температуре. Однако хорошие результаты с его помощью получаются только при строгом соблюдении правил измерений. При производстве измерений его нельзя устанавливать вблизи сильно нагретых или значительно увлажненных поверхностей, так как в психрометр может засасываться соприкасавшийся с ними воздух, вследствие чего результаты измерений температуры и влажности будут недостоверны. Следует обращать особое внимание на установку аспирационного психрометра; его лучше всего устанавливать на столбе, всегда с наветренной стороны, чтобы воздух шел от прибора к столбу.
   При вычислении влажности по аспирационному психрометру скорость обтекания воздуха около термометров принимается равной 2 м/с; поэтому необходимо, чтобы скорость аспирации у резервуаров термометров в психрометре всегда была близка к 2 м/с. Поверка скорости аспирации производится при выпуске психрометра. Однако из-за загрязнения или износа деталей аспиратора скорость аспирации со временем может изменяться, а поэтому время от времени ее следует проверять. По разности двух температур и психрометрическим таблицам, прилагаемым к психрометру, определяется процент относительной влажности.
   Чтобы покрытие оправы прибора не портилось, рекомендуется всегда держать психрометр в футляре, избегать прикосновения к нему потными руками, предохранять от запотевания, царапин и т. д. После наблюдений прибор обязательно протирается чистой салфеткой. Заводить пружину аспиратора надо осторожно, чтобы не сорвать ее в конце завода.
   Относительную влажность воздуха измеряют также с помощью волосных гигрометров (например, марки МВ-1).
//-- Условия конденсации водяного пара в атмосфере --//
   Переход водяного пара в жидкое состояние называется конденсацией, в твердое состояние, минуя жидкую фазу, – сублимацией. Конденсация и сублимация водяного пара происходят как в атмосфере, так и на земной поверхности, на находящихся на ней предметах и на растительном покрове.
   Водяной пар, содержащийся в атмосфере, может переходить в жидкое или твердое состояние лишь в том случае, когда его парциальное давление превышает давление насыщенного пара, т. е. когда е > Е. Поэтому для начала конденсации или сублимации либо парциальное давление водяного пара в воздухе должно увеличиваться до значения, превышающего давление насыщенного пара, либо температура воздуха должна опуститься ниже точки росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление водяного пара не может превышать максимально возможного. Поэтому оно тоже понижается, а избыток пара непрерывно конденсируется.
   Иначе происходит конденсация пара в объеме воздуха, лишенном примесей, на которых могли бы осаждаться молекулы пара, т. е. в воздухе, не содержащем ядер конденсации. Во влажном воздухе, очищенном от примесей, капельки воды образуются только при 6—8-кратном пересыщении пара. Следовательно, для начала конденсации парциальное давление должно в 6–8 раз превысить давление насыщенного пара при данной температуре. Зародышевые капли в этом случае возникают в результате объединения молекул водяного пара в комплексы. Размеры этих комплексов сначала очень малы, а максимальное парциальное давление водяного пара над мелкими выпуклыми частицами значительно больше, чем над плоской поверхностью. Поэтому дальнейшая конденсация на таких малых комплексах может идти только при значительном пересыщении окружающего их пара. Если пересыщения нет, то возникающие комплексы сразу же разрушаются.
   Понижение температуры воздуха ниже точки росы возможно вследствие:
   а) охлаждения деятельной поверхности путем излучения и последующего охлаждения прилегающего слоя атмосферы;
   б) соприкосновения теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью;
   в) смешивания двух масс воздуха, содержащих насыщенный или близкий к насыщению водяной пар, но имеющих разную температуру;
   г) адиабатического поднятия воздуха.
   Конденсация водяного пара происходит вследствие охлаждения земной поверхности путем излучения и последующего охлаждения прилегающего слоя атмосферы.
   В ясную тихую погоду после захода Солнца земная поверхность и наземные предметы под влиянием излучения начинают охлаждаться. Охлаждается и прилегающий к ним слой атмосферы. Водяной пар, содержащийся в этом слое, приближается к состоянию насыщения. Когда температура земной поверхности и наземных предметов опускается ниже точки росы воздуха, водяной пар из воздуха конденсируется на них, образуя капли росы. Охлаждение приземного воздуха ниже точки росы может привести к конденсации водяного пара также и в воздухе. При этом образуется туман.
   Если на некоторой высоте над земной поверхностью находится слой с большим содержанием пара, то при радиационном излучении и соответствующем охлаждении этого слоя в нем также могут произойти конденсация и образование облаков.
   При адиабатическом поднятии воздух с ненасыщенным паром охлаждается на 1 °C на каждые 100 м подъема. После того как водяной пар станет насыщенным, дальнейший подъем воздуха и связанное с ним охлаждение вызывает конденсацию пара. Адиабатическое охлаждение поднимающегося влажного воздуха является наиболее обычным процессом, приводящим к конденсации водяного пара в свободной атмосфере, и служит основной причиной облакообразования. В результате именно этого процесса образуется наибольшее количество продуктов конденсации.
   При сублимации водяного пара сначала возникают жидкие зародышевые капельки на обычных ядрах конденсации. При достаточно низких отрицательных температурах они замерзают, и лишь после этого на них развиваются кристаллы. В атмосфере водяные капельки не замерзают, а остаются переохлажденными даже при температурах значительно ниже 0 °C. Например, в облаках и туманах переохлажденные капли иногда встречаются при температуре —40 °C. Однако большая часть капель переходит в твердое состояние уже в пределах температур от —12 до —17 °C.
   Воздух, соприкасающийся с холодной почвой и наземными предметами, может охладиться до точки росы. При дальнейшем его охлаждении избыток пара начинает конденсироваться на поверхности охлажденных предметов. При этом выпадает роса и образуются жидкий налет, а также твердый налет, иней и кристаллическая изморозь. Кроме того, результатами процесса сублимации являются гололед, зернистая изморозь и обледенение, которые возникают при оседании и последующем замерзании переохлажденных капель и при непосредственном оседании ледяных кристаллов на земной поверхности и наземных предметах.
   Влажноадиабатическим процессом называется адиабатическое изменение состояния воздуха, содержащего насыщенный водяной пар. Такой процесс происходит, например, при вертикальном перемещении воздуха с насыщенным паром. Относительная влажность поднимающегося влажного воздуха увеличивается, так что на некоторой высоте водяной пар, содержащийся в этом воздухе, достигает состояния насыщения. При дальнейшем подъеме воздуха в нем происходит конденсация пара. Высота, на которой водяной пар в поднимающемся воздухе становится насыщенным, называется уровнем конденсации. Эту высоту можно найти по формуле:

   где t – температура воздуха; t -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– точка росы.
   Между сухо– и влажноадиабатическим процессами имеется принципиальная разница. Если при сухоадиабатическом подъеме воздуха его температура падает пропорционально росту высоты, то при влажноадиабатическом подъеме происходит еще и конденсация пара. При этом выделяется значительное количество тепла (теплота парообразования или конденсации), что приводит к расширению объема воздуха, и понижение температуры замедляется. Она падает тем медленнее, чем выше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения. Ядрами конденсации являются частицы некоторых примесей, взвешенных в атмосфере. К наиболее активным ядрам конденсации относятся растворимые гигроскопические частицы солей и кислот, различными путями попадающие в атмосферу. Такими ядрами конденсации являются, например, мельчайшие частицы солей, остающиеся в атмосфере после испарения капель морской воды, поднятых в воздух при сильном волнении и прибое; продукты сгорания топлива (сернистые и азотистые соединения) и др.
   Результаты химического анализа дождевой воды и облачных капель, а также аэрозолей, собранных в разных слоях атмосферы, показывают, что наиболее распространенными являются ядра, содержащие соединения хлора, серы, углерода, азота, магния, натрия и кальция.
   Водяной пар, поступая в атмосферу с деятельной поверхности, в результате турбулентного перемешивания распространяется в более высокие слои атмосферы и проникает даже в стратосферу. Распределение парциального давления водяного пара по вертикали зависит от изменения давления и температуры с высотой, от степени развития конвекции и турбулентного перемешивания, от процессов конденсации и облакообразования. В среднем парциальное давление водяного пара быстро убывает по вертикали. Парциальное давление пара с высотой убывает в 4–5 раз быстрее, чем атмосферное давление. Объясняется это тем, что слой атмосферы, непосредственно прилегающий к деятельной поверхности, непрерывно пополняется водяным паром, тогда как в вышележащие слои его поступает значительно меньше. Кроме того, температура воздуха с высотой убывает, а возможное содержание водяного пара ограничивается температурой, так как понижение ее способствует достижению паром насыщенного состояния и последующей конденсации пара.
   Дымка и туман представляют собой результат конденсации водяного пара в непосредственной близости к земной поверхности, т. е. в приземном слое атмосферы. Туманом называют совокупность взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, ухудшающих метеорологическую дальность видимости с 5 км до значений менее 1 км. При видимости 1—10 км эта совокупность носит название дымки. В зависимости от расстояния интенсивность дымки или тумана оценивается следующими градациями: слабая дымка – от 2 до 10 км, умеренная дымка – от 1 до 2 км, слабый туман – от 0,5 до 1 км, умеренный туман – от 0,05 до 0,5 км, сильный туман – меньше 0,05 км.
   При положительных температурах туман состоит из капелек воды радиусом в среднем 2–5 мкм, а при отрицательных – из переохлажденных капелек воды, ледяных кристаллов или замерзших капелек. Капельки воды, образующие дымку, имеют радиус менее 1 мкм. При укрупнении капель дымка может перейти в туман, а при испарении туман может превратиться в дымку.
   Водностью тумана называется количество жидкой или твердой воды, содержащейся в 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха; водность тумана составляет 0,02—1,0 г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. На водность тумана оказывает влияние температура: при положительных температурах она значительно больше, чем при отрицательных.
   Число капель в единице объема в слабом тумане составляет в среднем 1—10шт/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в сильном – 400–600 шт/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Туманы обычно образуются в тех случаях, когда парциальное давление водяного пара в слое атмосферы, прилегающем к земной поверхности, превышает давление насыщенного пара.
   По физическим условиям образования туманы можно разделить на туманы охлаждения; туманы, не связанные с охлаждением; туманы, вызванные деятельностью человека.
   Туманы охлаждения образуются в результате понижения температуры воздуха, прилегающего к земной поверхности, ниже точки росы. Это может произойти в результате: а) радиационного излучения; б) натекания теплого воздуха на более холодную поверхность; в) подъема воздуха по склону холма или горы. В соответствии с этим туманы охлаждения делят на радиационные, адвективные и туманы склонов.
   При интенсивных восходящих движениях воздуха образуется уже не туман, а кучевые облака.
   К туманам, не связанным с охлаждением, относятся прежде всего туманы испарения и туманы смешения.
   К туманам, вызванным деятельностью человека, относятся городские и морозные (печные) туманы, а также специально создаваемые искусственные туманы, например для борьбы с заморозками.
   В крупных городах, где в воздух выбрасываются в большом количестве отходы промышленного производства, иногда образуются так называемые городские туманы, не распространяющиеся далеко за пределы города. Своим появлением они обязаны большому количеству активных ядер конденсации, при наличии которых конденсация может начаться уже при относительной влажности 75–95 %. Чаще всего городские туманы наблюдаются утром, когда водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к состоянию насыщения.
   Городские туманы иногда имеют темную окраску, обусловленную наличием в каплях частичек дыма, сажи и других примесей. Интенсивность таких туманов увеличивается в связи с тем, что частички примесей сильно излучают и охлаждаются.
   В больших городах и промышленных центрах туманы возникают гораздо чаще, чем за городом. Например, в Москве число дней с туманами в несколько раз больше, чем в ее пригородах. По мере увеличения количества промышленных предприятий повторяемость городских туманов растет. Городские туманы, как и задымление воздуха, уменьшают продолжительность солнечного сияния в больших городах. В крупных промышленных центрах нередко возникают сильные и опасные туманы, смешанные с дымом и выхлопными газами автомашин. Такие туманы называются смогами.
   Зимой при низкой температуре воздуха и при наличии приземной инверсии часто наблюдаются туманы над небольшими населенными пунктами – так называемые морозные (печные) туманы. Они обычно возникают утром, когда в воздух начинает поступать большое количество ядер конденсации вместе с дымом от топки печей, с чем и связано название этих туманов. Они быстро приобретают значительную плотность. Днем при повышении температуры воздуха они разрушаются или ослабевают, но вновь усиливаются к вечеру.
//-- Микрофизические структуры облаков --//
   Облаком называется видимое скопление продуктов конденсации или сублимации водяного пара на некоторой высоте. Из облаков выпадают осадки, в них возникают грозы, они влияют на приток лучистой энергии к деятельной поверхности и тем самым на температурный режим почвы, водоемов и воздуха. Облака отличаются большим разнообразием форм и физического строения. В зависимости от горизонтальных размеров областей, охваченных вертикальными движениями, от интенсивности восходящих движений, от термических и других факторов образуются облака, различные по внешнему виду и внутреннему строению. В зависимости от условий образования все облака разделяются на три класса:
   1. Кучевообразные – сильно развитые по вертикали облака, но имеющие сравнительно небольшую горизонтальную протяженность. Образуются в результате интенсивных восходящих (конвективных) движений воздуха.
   2. Волнистообразные – слой облаков, имеющих большую горизонтальную протяженность и вид барашков, валов или гряд. Образуются в результате волновых движений в атмосфере.
   3. Слоистообразные – слой облаков в виде сплошной пелены, горизонтальная протяженность которых в сотни раз превосходит их вертикальные размеры. Образуются в результате медленных, плавных восходящих движений воздуха, в частности над фронтальными поверхностями. Но они могут быть и внутримассовыми.
   Высота облаков и их строение зависят от положений уровней конденсации, замерзания и конвекции. Уровень конденсации практически совпадает с нижней границей облаков. Между уровнем конденсации и уровнем атмосферы с температурой 0 °C облако состоит из водяных капель, а в отдельных случаях – из тающих снежинок. Переохлажденные капли в облаках наблюдаются до уровня замерзания. Уровень замерзания располагается в среднем на той высоте, где температура воздуха составляет от —12 до —17 °C. Выше этого уровня происходит сублимация водяного пара, а также замерзание переохлажденных капель. Облака здесь состоят в основном из ледяных кристаллов.
   В облаке не существует резкой границы между областями с жидкими и твердыми частицами воды. В облаках существуют также мощные переходные слои, в которых одновременно могут присутствовать переохлажденные капельки и ледяные кристаллы.
   Капли и кристаллы, составляющие облако, не остаются постоянно во взвешенном состоянии. Восходящими движениями воздуха они могут увлекаться вверх, при ослаблении восходящих движений они под действием силы тяжести опускаются вниз. При таких движениях воздуха в облаке изменяются его температура и относительная влажность, а потому изменяется и агрегатное состояние облачных частиц. Под действием ветра облака перемещаются в горизонтальном направлении и в них часто развивается турбулентное перемешивание.
   По составу облака делятся на три группы:
   – водяные (жидкокапельные), состоящие из капель воды. При отрицательных температурах они состоят из переохлажденных капель;
   – ледяные (кристаллические), состоящие из ледяных кристаллов;
   – смешанные, состоящие из смеси переохлажденных водяных капель и ледяных кристаллов.
   Водяные облака в теплое время года в умеренных широтах располагаются в основном в нижней части тропосферы, смешанные – в средней ее части, ледяные – в верхней. В холодное время года при очень низких температурах воздуха и земной поверхности ледяные облака могут возникать и в нижней тропосфере.
   В дальнейшем диаметр капель может увеличиваться до 500– 5000 мкм (дождевые капли).
   Ледяные кристаллы, составляющие облака, различаются как по размеру, так и по форме. Форма и размер кристаллов в значительной степени зависят от температуры и относительной влажности воздуха в облаке.
//-- Международная классификация облаков --//
   По международной классификации облака по высоте делятся на четыре семейства:
   A. Семейство облаков верхнего яруса.
   Б. Семейство облаков среднего яруса.
   B. Семейство облаков нижнего яруса.
   Г. Семейство облаков вертикального развития.
   Облака верхнего яруса располагаются на высотах более 6 км, облака среднего яруса – на высотах 2–6 км, облака нижнего яруса – от земной поверхности до высоты 2 км. Основания облаков вертикального развития располагаются на высоте облаков нижнего яруса, а вершины – на высоте облаков среднего или верхнего яруса.
   В зависимости от внешнего вида все облака делятся на 10 форм (родов), а формы подразделяются на виды и разновидности. Эти формы приведены в Атласе облаков.
   А. Семейство облаков верхнего яруса.
   I. Перистые облака – Cirrus (Ci).
   Цирусы – это отдельные белые волокнистые облака, обычно очень тонкие и прозрачные, с шелковистым блеском; они относятся к классу волнистообразных облаков. Обычно наблюдаются в небольшом количестве, но иногда могут занимать и значительную часть неба. Закрывая Солнце, они лишь немного ослабляют солнечное сияние. В перистых облаках вокруг Солнца и Луны иногда наблюдаются круги (гало) или части этих кругов. Перистые облака состоят из ледяных кристаллов размером 0,01—0,1 мм.
   II. Перисто-кучевые облака – Cirrocumulus (Сс).
   Белые тонкие облака, состоящие из очень мелких волн, хлопьев или ряби, без серых оттенков, частично имеющие волокнистое строение. Как правило, наблюдаются в небольшом количестве. Они относятся к классу волнистообразных облаков и состоят из мелких ледяных кристаллов. В этих облаках также может наблюдаться гало и могут быть видны так называемые венцы вокруг Солнца и Луны.
   III. Перисто-слоистые облака – Cirrostratus (Cs).
   Тонкая беловатая или голубоватая пелена слегка волокнистого строения, сквозь которую легко просвечивают Солнце и Луна. Как правило, пелена Cs, надвигаясь, постепенно закрывает все небо. От перистых облаков пелена Cs отличается тем, что она более однородна и непрерывна. Днем при наличии Cs тени наземных предметов почти не ослаблены. Относятся к классу слоистообразных облаков. В Cs часто образуется гало.
   Б. Семейство облаков среднего яруса.
   IV. Высококучевые облака – Altocumulus (Ас).
   Белые, иногда сероватые или синеватые облака в виде волн или гряд, состоящих из отдельных пластин или хлопьев, обычно разделенных просветами голубого неба, но иногда сливающихся в почти сплошной покров. От перисто-кучевых отличаются большей плотностью и большими видимыми размерами отдельных пластин или хлопьев. Высококучевые облака являются, как правило, водяными. Ас относятся к классу волнистообразных облаков.
   В. Семейство облаков нижнего яруса.
   V. Высокослоистые облака – Altostratus (As).
   Серая или синеватая однородная пелена слегка волокнистого строения, как правило, постепенно закрывающая все небо. Иногда на нижней поверхности пелены заметны слабо выраженные волны. Эти облака относятся к классу слоистообразных. Большей частью являются смешанными (состоят из ледяных кристаллов и переохлажденных капель воды). Нижние части высокослоистых облаков состоят из более крупных снежинок или из мелких капель (в слое с температурой выше 0 °C). Тонкие As состоят преимущественно из ледяных кристаллов.
   VI. Слоисто-кучевые облака – Stratocumulus (Sc).
   Серые облака, состоящие из крупных гряд, волн, пластин или хлопьев, разделенных просветами или сливающихся в сплошной серый волнистый покров. Часто детали облаков располагаются правильными рядами в одном или двух направлениях. Они относятся к классу волнистообразных. Состоят преимущественно из капелек воды, чаще всего радиусом 57 мкм. Изредка в них встречается, кроме капель, некоторое количество ледяных кристаллов и снежинок.
   VII. Слоистые облака – Stratus (St).
   Однородный слой серого цвета, сходный с туманом, но расположенный не у самой земной поверхности, а на некоторой высоте. Часто нижняя поверхность слоя St бывает разорванной, клочковатой. Обычно закрывают все небо сплошной пеленой, но иногда могут иметь вид разорванных облачных масс. По условиям образования относятся к классу волнистообразных. Это подтверждается формой их верхней границы, наблюдаемой, например, с самолета. Состоят из капель воды радиусом 2–5 мкм. В частях облака, имеющих температуру ниже 0 °C, эти капли переохлажденные. Здесь же могут находиться и ледяные кристаллы.
   VIII. Слоисто-дождевые облака – Nimbostratus (Ns).
   Темно-серый облачный слой, иногда с синеватым оттенком.
   При осадках кажется однородным, но в перерывах между выпадениями осадков иногда заметна его неоднородность. Основание облаков размыто полосами падения осадков. Обычно закрывают все небо сплошным слоем, без просветов. Относятся к классу слоистообразных облаков. По составу принадлежат к смешанным облакам. В нижней части Ns при отрицательной температуре преобладают мелкие капельки воды с примесью снежинок. При положительной температуре нижняя часть Ns состоит из сравнительно крупных капель.
   Г. Семейство облаков вертикального развития.
   IX. Кучевые облака – Cumulus (Сu).
   Плотные, развитые по вертикали облака с белыми куполообразными вершинами и плоским сероватым или синеватым основанием. Могут представлять собой отдельные редко расположенные облака или образовывать скопления, закрывающие почти все небо. Относятся к классу кучевообразных. При порывистом ветре края облаков могут быть разорванными.
   В некоторых случаях в облаке встречаются отдельные крупные (дождевые) капли. При температурах ниже 0 °C капли находятся в переохлажденном состоянии.
   X. Кучево-дождевые облака – Cumulonimbus (Cb).
   Мощные белые облачные массы с темными основаниями, являющиеся результатом дальнейшего развития Cu. Поднимаются в виде гор или башен, верхние части которых имеют волокнистую структуру. Из Cb выпадает дождь, а иногда наблюдаются полосы падения. В холодное время года могут быть более плоскими. Часто имеют вид отдельных облачных масс. Кучево-дождевые облака в верхней части состоят из ледяных кристаллов, которые при температурах ниже —15 °C имеют форму столбиков. При температурах выше —15 °C облако состоит из пластинчатых кристаллов и переохлажденных капель воды, а нижняя его часть содержит водяные капли с примесью снежинок или капель дождя (в зависимости от температуры), а иногда ледяной крупы или града.
   Под высотой облаков подразумевается высота их основания над поверхностью земли. Высота облаков различных ярусов колеблется в широких пределах.
   Средняя высота облаков верхнего яруса зависит от времени года и широты места: летом она больше, чем зимой, а с уменьшением широты места она увеличивается. Например, высота перистых облаков в умеренных широтах составляет в среднем 8 км, но в отдельных случаях она может быть ниже 6 км или выше 12 км.
   Высота облаков нижнего яруса в умеренных широтах обычно составляет 0,8–1,5 км. Однако в отдельных случаях высота этих облаков может существенно отличаться от приведенных значений. Она тем больше, чем меньше относительная влажность у земли. При высокой температуре воздуха и низкой относительной влажности у земной поверхности высота этих облаков может достигать 3 км и более.
   Толщина облаков различных форм также колеблется в широких пределах. Из облаков основных форм наибольшую толщину имеют кучево-дождевые и слоисто-дождевые облака.
   Ячеистая структура облаков свидетельствует о неустойчивой стратификации нижних слоев атмосферы. Спутниковые наблюдения говорят о том, что облачные системы часто имеют вид отдельных полос. В большинстве случаев они сформированы из кучевых и кучево-дождевых облаков. В этом случае облачные полосы принято называть грядами.
   На спутниковых снимках принято выделять следующие основные типы облачности: кучевообразный, слоистообразный, слоисто-кучевообразный, перистообразный, кучево-дождевой (или мощный кучевой), а также различные сочетания указанных типов.
   Кучевообразная облачность: тон изображения светло-серый или белый, неоднородный (с полутонами). Облачные элементы разнообразны по форме и размерам.
   Слоистообразная облачность: тон изображения белый, однородный. Слоистообразный тип облачности составляют слоистые, слоисто-дождевые, высокослоистые, плотные перисто-слоистые и иногда слоисто-кучевые облака.
   Слоисто-кучевообразная облачность: характеризуется упорядоченным расположением облачных элементов круглой формы с довольно четко очерченными краями. Тон изображения в центре облачных элементов белый, а к краям светло-серый.
   Перистообразная облачность: тон снимков светло-серый и серый, неоднородный, создающий впечатление волокнистости. Сквозь эти облака просматриваются рельеф местности или более низкие кучевообразные облака. Перистообразной облачности соответствуют в основном перистые и перисто-слоистые облака, занимающие большую территорию.
   Кучево-дождевая, или мощная кучевая, облачность: тон изображения ярко-белый, неоднородный.
   Определение видов облаков проводится в следующем порядке:
   1. На первом этапе определяется степень покрытия неба облаками, т. е. облачность или количество облаков. Она оценивается экспертно в баллах, выражающих, сколько десятых долей небесного свода покрыто облаками. Для этого небосвод на глаз делится на десятые доли и проводится оценка, сколько из них было бы занято облаками, если бы все облака были расположены без просветов. Сначала оценивается общая облачность без деления на ярусы, а затем приблизительно определяется, сколько из числа долей неба покрыто облаками нижнего яруса.
   Запись делается в виде дроби: в числителе записывается число десятых долей общей облачности, а в знаменателе – число десятых долей, покрытых нижними облаками.
   2. На втором этапе наблюдений записывается, к какой разновидности принадлежат наблюдаемые облака, а также общий вид неба. При определении типов облаков их сравнивают с Атласом облаков. На этом этапе наблюдателю необходимо оценивать ситуацию не только в сроки наблюдения, но и между ними, чтобы можно было оценить динамику появления облаков той или иной разновидности. Запись результатов наблюдений проводится с помощью метеорологических индексов.
   3. На третьем этапе проводится приблизительное определение направления и скорости движения облаков. Направление их движения определяется по компасу, а скорость движения при известной высоте облаков – специальными приборами, теми же, которые применяются при измерении скорости ветра.
   4. Высота облачности определяется на четвертом этапе. Для этого используется индикатор высоты облаков типа ИВО. Без этого прибора высоту облаков можно приблизительно определить, зная их разновидность. Для измерения этой величины можно применять теодолиты. Ночью можно применять прожектора.
   Для точного определения высоты облаков применяются шары-зонды и самолеты.
   При проведении экологических исследований необходимо иметь информацию о влажности атмосферы, так как без этого невозможно оценить характер туманов и прогнозировать выпадение осадков (в том числе кислотных дождей).

1.7. Осадки, выпадающие из облаков

   Атмосферными осадками называют капли воды и кристаллы льда, выпадающие из атмосферы на земную поверхность. Количество осадков измеряют высотой слоя воды в миллиметрах, образовавшегося в результате выпадения осадков на горизонтальной поверхности при отсутствии испарения, просачивания и стока, а также при условии, что осадки, выпавшие в твердом виде, полностью растаяли. Слой осадков 1 мм, выпавших на площадь 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, соответствует массе воды 1 кг. Важной характеристикой осадков является их интенсивность, т. е. количество осадков, выпадающих в единицу времени. На метеорологических станциях количественно определяется только интенсивность жидких осадков (в мм/мин). Кроме того, интенсивность как жидких, так и твердых осадков определяется качественно. При этом осадки визуально делят на слабые, умеренные и сильные. Различают следующие виды осадков:
   I. Твердые осадки.
   1. Снег – ледяные или снежные кристаллы (снежинки), чаще всего имеющие форму звездочек или хлопьев. Последние образуются из нескольких слипшихся между собой звездочек.
   2. Снежная крупа – непрозрачные сферические снегоподобные крупинки белого или матово-белого цвета диаметром от 2 до 5 мм.
   3. Снежные зерна – непрозрачные матово-белые палочки или крупинки диаметром менее 1 мм.
   4. Ледяная крупа – ледяные прозрачные крупинки, в центре которых имеется непрозрачное ядро. Диаметр крупинок до 3 мм.
   5. Ледяной дождь – прозрачные ледяные шарики размером от 1 до 3 мм. Иногда внутри твердой ледяной оболочки остается незамерзшая (переохлажденная) вода.
   6. Град – кусочки льда различных форм и размеров. Градина состоит из непрозрачного ядра, окруженного несколькими чередующимися прозрачными и непрозрачными слоями льда. Размеры градин колеблются в широких пределах. Чаще всего их диаметр составляет 1–3 см, но в отдельных случаях может превышать 10 см.
   II. Жидкие осадки.
   7. Дождь – капли диаметром от 0,5 до 7,0 мм.
   8. Морось – капли диаметром 0,05—0,5 мм, находящиеся как бы во взвешенном состоянии, так что падение их почти незаметно.
   III. Смешанные осадки.
   9. Мокрый снег – тающий снег или смесь снега с дождем.
   По физическим условиям образования и по характеру выпадения различают осадки обложные, ливневые и моросящие.
   Обложные осадки выпадают обычно из системы фронтальных слоисто-дождевых и высокослоистых, а иногда и из слоисто-кучевых облаков. Характеризуются умеренной, мало меняющейся интенсивностью, охватывают одновременно большие площади и могут непрерывно или с короткими перерывами продолжаться в течение нескольких часов и даже десятков часов.
   Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков. Они отличаются внезапностью начала и конца выпадения, резкими колебаниями интенсивности и сравнительно малой продолжительностью. Обычно охватывают небольшую площадь. Летом так выпадает крупнокапельный дождь, иногда вместе с градом. Летние ливневые осадки часто сопутствуют грозе. Зимой ливневым бывает обильный снегопад, состоящий из крупных хлопьев снега. В переходное время года может наблюдаться ливневое выпадение снежной или ледяной крупы одновременно со снегом или дождем. Ливневые осадки обычно отличаются большой интенсивностью, но могут состоять и из небольшого количества крупных капель, выпадающих из отдельного кучево-дождевого облака.
   Моросящие осадки выпадают из слоистых и изредка из слоисто-кучевых облаков. Это могут быть морось, мельчайшие снежинки или снежные зерна.
   По условиям образования различают осадки внутримассовые и фронтальные.
   Внутримассовые осадки образуются внутри однородных воздушных масс. Для устойчивой теплой воздушной массы характерны осадки в виде мороси из слоистых облаков или в виде слабого обложного дождя из плотных слоисто-кучевых облаков. В неустойчивой холодной воздушной массе выпадают ливневые осадки.
   Фронтальные осадки связаны с прохождением фронтов. Для теплого фронта типичны обложные осадки, для холодного фронта – ливневые.
   Наименьшей интенсивностью обладают моросящие осадки, наибольшей – ливневые. Но отдельные ливневые осадки могут быть менее интенсивными, чем обложные. Дождь, интенсивность которого превышает 1 мм/мин, принято называть ливнем. Ливень может выпадать не только из Cb, но и из Cu и Ns. Ливневый дождь, в отличие от ливня, выпадает только из Cb и может иметь интенсивность меньше 1 мм/мин. Ливни нередко наносят большой ущерб народному хозяйству: смывают почву, вызывают рост оврагов, разрушают дороги и т. д. Кроме того, они являются причиной паводков и наводнений. Поэтому для гидрологических, гидротехнических и экологических расчетов необходимо знать максимально возможную в данной местности интенсивность ливневых осадков и ливней.
   Из наблюдений установлено, что чем больше интенсивность ливня, тем меньше его продолжительность. Дожди интенсивностью 1–2 мм/мин выпадают довольно часто.
   В облаках, состоящих из капель разных размеров, конденсационный рост происходит более интенсивно, чем в облаках, состоящих из одинаковых капель. Это объясняется различием давлений насыщенного пара над мелкими и крупными каплями, вызванным неодинаковой кривизной их поверхности. В таких облаках мелкие капли испаряются, а на крупных водяной пар конденсируется, т. е. происходит перенос пара с мелких капель на крупные.
   В смешанных облаках, состоящих из водяных капель и ледяных кристаллов, разность давлений насыщенного пара над кристаллами и каплями больше соответствующей разности над каплями разных размеров в чисто водяных облаках. Поэтому в таких облаках перенос водяного пара с капель на кристаллы происходит в несколько десятков раз интенсивнее. Облачные капли при этом могут даже полностью испариться, а твердые элементы облака будут расти за счет испарения жидких. В этом случае создаются благоприятные условия для укрупнения облачных элементов и образования осадков. Наиболее интенсивен этот процесс при температуре —12 °C, когда разность давлений насыщенного пара над переохлажденной водой и льдом наибольшая. Например, в плотных водяных облаках одна ледяная частица примерно за 10 мин может поглотить все жидкие капли, содержащиеся в 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

облака. Так могут вырасти очень крупные кристаллы – снежинки.
   Коагуляция (объединение) облачных частиц происходит и под влиянием электрических сил. Одноименно заряженные капли отталкиваются, и их слияние затрудняется, а разноименно заряженные капли притягиваются, и их слияние становится более интенсивным. Но заряды капель настолько малы и расстояния между ними настолько велики, что влияние кулоновских сил проявляется слабо. Кроме того, большинство капель воды в атмосфере имеет одноименный (отрицательный) заряд, что также тормозит их коагуляцию.
   Коагуляция в облаках происходит также в результате неодинаковой скорости падения капель. Крупные капли под действием силы тяжести падают с большей скоростью, чем мелкие. Поэтому большие капли могут догонять более мелкие, сталкиваться и сливаться с ними. Такая коагуляция называется гравитационной. Именно гравитационная коагуляция играет наибольшую роль в укрупнении облачных элементов и образовании капель дождя.
   Восходящие движения воздуха вызывают понижение его температуры, что увеличивает пересыщение водяного пара. Благодаря этому конденсационный рост капель доводит их до таких размеров, при которых уже развивается гравитационная коагуляция. Кроме того, капли, поднятые на большую высоту, при последующем падении проходят сквозь толщу облака, благодаря чему вырастают до значительных размеров за счет гравитационной (весовой) коагуляции. При толщине кучевых облаков более 1 км и при интенсивных восходящих движениях воздуха гравитационная коагуляция может играть большую роль в образовании осадков.
   Гравитационная коагуляция имеет важное значение и для роста ледяных частиц в облаках. Ледяные частицы могут сталкиваться с каплями или друг с другом. В случае столкновения кристаллов с каплями при температуре ниже 0 °C происходит рост кристаллов за счет намерзания на них переохлажденных капель, т. е. происходит так называемое обзернение. При интенсивном обзернении снежинки превращаются в частицы крупы (сферокристаллы). При температуре выше 0 °C кристаллы увеличиваются за счет образования на них водяной пленки. При этом ледяные частички постепенно превращаются в капли. Коагуляция снежинок друг с другом приводит к образованию хлопьев снега.
   Для образования осадков большое значение имеют вертикальная протяженность (толщина) облака, скорость восходящих движений воздуха в нем, водность, продолжительность существования облака. Поэтому чисто водяные облака, состоящие преимущественно из мелких капель, при определенных условиях могут давать осадки.
   Слоистые (St) и слоисто-кучевые (Sc) облака чаще всего бывают коллоидально-устойчивыми. Толщина их мала (до 1 км), скорости восходящих потоков также малы (до 1 м/с), и крупные капли в них не образуются. Но эти облака могут существовать довольно долго (сутки и более). Поэтому конденсационный рост капель, а затем их коагуляция в St могут привести к образованию капель мороси, которые и выпадают из таких облаков, преодолевая слабые восходящие движения. Из Sc иногда может выпадать даже мелкокапельный слабый обложной дождь и слабый обложной снег.
   Мощные кучевые облака (Cu) характеризуются большими скоростями восходящих движений (до 10 м/с). Толщина их колеблется от 2–3 км в умеренных широтах до 6–8 км в тропиках. При таких условиях в облаках образуется большое количество мелких капель, но выпадать из облака могут только капли радиусом 1–2 мм и более. До таких размеров капли могут вырасти только в результате коагуляции при очень большой водности и толщине облака. Такие условия часто создаются в Cu тропических широт и очень редко в Cu умеренных широт. Поэтому в умеренных широтах даже мощные кучевые облака осадков не дают, а в тропиках из них могут выпадать сильные дожди.
   В ледяных облаках условия роста облачных элементов более благоприятны, чем в водяных, так как в них всегда имеет место значительное пересыщение по отношению ко льду и ледяные частички быстро растут за счет сублимации водяного пара. Это приводит к тому, что даже из тонких кристаллических облаков, например зимних As, а также Ci и Cs, несмотря на малую водность и малые скорости вертикальных движений воздуха, все же выпадают осадки в виде полос падения, а из As – даже в виде слабого или умеренного снега.
   Снежинки образуются в результате сублимации водяного пара на ледяных кристаллах, имеющих форму шестиугольных плоских пластинок. По мере удаления от поверхности такого кристалла концентрация водяного пара возрастает, так как вблизи кристалла часть пара переходит на его поверхность. Молекулы водяного пара стремятся перемещаться из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. из окружающего пространства к кристаллу. В первую очередь они осаждаются на углах кристалла, в результате чего ледяная пластинка принимает форму шестилучевой звездочки. Дальнейшая сублимация происходит на лучах этой звездочки. Образуются разветвления этих лучей, и кристалл превращается в снежинку. Снежинки при соударениях сцепляются между собой, образуя более крупные снежинки и хлопья.
   В смешанных облаках As, Ns и Cb, в которых кристаллы соседствуют с переохлажденными каплями воды, условия для сублимационного роста кристаллов более благоприятные, чем в чисто ледяных облаках, особенно если капель в облаке больше, чем кристаллов. Благодаря переносу пара с капель на кристаллы последние быстро вырастают до больших размеров. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не испарятся все капли воды и облако не преобразуется в чисто ледяное.
   В кучево-дождевом облаке скорость восходящих потоков увеличивается с высотой, достигает максимума примерно в средней части облака и затем убывает к вершине. Над уровнем максимальной скорости восходящих потоков образуется зона, в которой происходит накопление облачных элементов, в основном крупных капель. Если температура выше нуля, то максимальная скорость восходящих потоков превышает 10 м/с, а вершина облака находится выше уровня кристаллизации и имеет температуру от —20 до —25 °C, то в таком облаке возможно образование града.
//-- Химический состав осадков --//
   Изучение химического состава осадков необходимо для решения многих практических вопросов, и в первую очередь для исследования круговорота веществ в природе и оценки экологического состояния среды. Содержание различных примесей в осадках нужно знать агрохимикам, гидрохимикам, гидрогеологам, геохимикам и экологам для изучения формирования состава природных вод и поверхностных слоев почвы, техникам, разрабатывающим меры предохранения различных сооружений от коррозии и изоляционные устройства на линиях электропередачи, а также медикам и многим другим специалистам.
   Химический состав осадков формируется с момента образования зародышевых облачных капель. На этой стадии будущий состав капель определяется химической природой ядер конденсации. Последующее укрупнение облачных элементов и прохождение их через облачные и подоблачные слои атмосферы, всегда содержащие как газообразные, так и твердые растворимые и нерастворимые примеси, приводит к дальнейшему изменению их состава. Атмосферные осадки представляют собой слабые растворы солей. Общая минерализация осадков изменяется в среднем от 10 до 30 мг/л. Крайние ее значения составляют 3–4 и 50–60 мг/л. Тем не менее осадки приносят в почву значительное количество различных примешанных к ним веществ, а именно от 5 до 15 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

за год. Концентрация примесей в осадках зимой больше, чем летом. Это объясняется тем, что вследствие большей площади захвата и меньшей скорости падения снежинки на пути своего падения могут захватывать гораздо больше взвешенных в воздухе частиц примесей, чем капли. Наиболее высокая минерализация осадков в Северном полушарии наблюдается в южных частях континентов, тогда как на севере атмосфера более чистая и потому осадки тоже содержат меньше примесей. На побережьях минерализация осадков меньше, чем в глубине континентов, хотя на побережьях увеличено содержание хлоридов. Наиболее чистые осадки выпадают в тундре и тайге, тогда как в степях и пустынях минерализация осадков резко возрастает. Это показывает, что естественные источники являются определяющими в общем загрязнении атмосферы.
   Одной из основных примесей в осадках континентального происхождения являются сульфаты, главным образом SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а в осадках морского происхождения – хлориды. Облачная вода чище, чем вода осадков. На Крайнем Севере европейской части РФ в воде облаков содержится в среднем 13 мг/л минеральных примесей, а в осадках – 16,5 мг/л, в южных районах в облаках содержится 16 мг/л минеральных примесей, а в осадках – 30 мг/л. Из этого следует, что осадки дополнительно набирают примеси в подоблачных слоях атмосферы. Отсюда ясно, как велика роль осадков в очищении атмосферы.
   Электропроводность является важной характеристикой атмосферных осадков. Данные об электропроводности туманов, облаков и осадков должны учитываться, например, при изготовлении изоляционных устройств, предназначенных для электросиловых установок и линий электропередачи.
   Высоким значением электропроводности обладают только грозовые осадки, причем наименьшая электропроводность осадков, как и их минерализация, наблюдается летом.
   Одним из процессов, способствующих удалению радиоактивных веществ из атмосферы, является вымывание их осадками. Радиоактивность измеряется в беккерелях (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Радиоактивность осадков связана с их типом и интенсивностью и колеблется в широком диапазоне. Твердые осадки более радиоактивны, чем жидкие. Средняя радиоактивность для снега составляет 0,85 Бк, а для дождя – 0,27 Бк; абсолютный максимум равен 5,96 Бк для снега и 1,64 Бк – для дождя. Большая радиоактивность снега объясняется тем, что часть радиоактивных веществ осадки захватывают при своем падении, а у снежинок захватывающая поверхность больше, чем у капель.
   Чем интенсивность осадков выше, тем меньше их радиоактивность, так как суммарная поверхность мелких капель и снежинок, выпадающих при слабых дождях и снегопадах, больше поверхности крупных частиц, выпадающих при сильных осадках.
   Иногда дождевые капли и снежинки содержат окрашивающие их примеси, в результате чего образуются необычные «красные» (или «кровавые»), «черные», «молочные» и другие дожди и снегопады. Окрашивающие примеси могут иметь различное происхождение. Например, цветной песок сильными ветрами поднимается в воздух с поверхности пустынь. Таким же путем попадают в атмосферу красящие водоросли, микроорганизмы, споры растений. Частички сажи и пепла поступают в атмосферу при вулканических извержениях, лесных и торфяных пожарах. Все эти примеси проникают в средние слои тропосферы, разносятся на большие расстояния и затем вымываются осадками.
   Кислотные дожди образуются в атмосфере при контакте так называемых кислых газов (NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и CO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) с водяными парами и каплями облаков и туманов. Небольшое количество кислых газов выбрасывается из высоких труб ТЭЦ и заводов и переносится на большие расстояния. В крупных городах основным их источником является автотранспорт. Кислые газы, а также нитраты и нитриты попадают на Землю в виде кислотных дождей или снега, а также в виде туманов, росы или твердых частиц.
   Эти загрязняющие вещества поглощаются растениями и отравляют атмосферу, воду и почву. Основная экологическая характеристика осадков – их кислотность. Уровень кислотности или щелочности водных растворов выражается в единицах рН. В нейтральных растворах показатель рН равен 7, в кислых рН < 7, в щелочных рН > 7. Чем меньше рН, тем более кислыми являются осадки. Снижение рН на одну единицу соответствует десятикратному возрастанию кислотности.
   В настоящее время кислотность природных осадков в среднем составляет рН = 5,6. Кислотные осадки с рН < 5,6 представляют серьезную экологическую угрозу, особенно если рН падает ниже 5,1, что зачастую происходит в крупных городах.
   Выпадение кислотных дождей приводит к следующим последствиям:
   – возникновению и обострению многих болезней (в том числе болезней дыхательных путей) и преждевременной гибели человека;
   – гибели рыбы, водных растений и микроорганизмов в озерах и реках;
   – снижению урожайности зерновых культур (на 30 % и более), а также помидоров, сои, фасоли, хлопка;
   – ослаблению или гибели деревьев (особенно хвойных пород), которые являются основными генераторами кислорода на суше. При этом деревья подвергаются болезням и образованию на них грибов и мхов; гибель деревьев приводит к засухам, а также к засолению и опустыниванию земли;
   – повреждению зданий, статуй, керамики, стекла в результате поверхностной эрозии; интенсификации коррозии металлов; обесцвечиванию красок; ломкости бумаги; растрескиванию и износу резины, основной причиной чего является воздействие на нее озона; ухудшению качества и потере прочности кожи и текстильных тканей.
//-- Методы и средства измерения осадков --//
   Для измерения количества выпадающих на горизонтальную поверхность жидких и твердых осадков наиболее широко применяются относительно простые установки – осадкомеры Третьякова и дождемеры.
   Основными частями этих установок являются сосуд для сбора осадков, ветровая защита и мерный стакан. Ветровая защита (лепестки) предназначена для уменьшения завихрений, образующихся от ветра вокруг и внутри осадкосборного сосуда. Завихрения мешают свободному попаданию осадков в сосуд, что приводит к погрешности измерений – обычно к занижению количества жидких осадков и завышению количества твердых (из-за надувания снежинок в сосуд при отсутствии снегопада с окружающих предметов).
   Приемная поверхность осадкомера (отверстия, через которые осадки попадают в осадкосборный сосуд) должна иметь строго определенную площадь. Количество осадков, попавших в сосуд, измеряют с помощью специального мерного стакана и, учитывая отношение его площади к площади приемной поверхности осадкомера, рассчитывают толщину слоя воды, который могли бы образовать выпавшие осадки.
   В практике применяются осадкомеры, позволяющие измерять количество осадков, выпавших за короткое время (за сутки) и за продолжительное время (до года).
   Осадкомер устанавливается на метеорологической площадке на деревянном столбе или специальной металлической подставке так, чтобы высота его приемной части (верхний срез ведра) над поверхностью составляла 2 м.
   Если осадкомер устанавливают вне метеорологической площадки, то место его установки должно быть удалено от окружающих строений, деревьев и других предметов на расстояние не менее чем их трехкратная высота. При меньшем удалении снег, сдуваемый ветром с близко расположенных предметов, может попадать в осадкомер; эти предметы могут мешать попаданию осадков в осадкомер, особенно при косом (не вертикальном) их выпадении.
   Однако осадкомер не следует устанавливать в совершенно открытом месте, где возможно выдувание из него уже собранных твердых осадков.
   Лучшим местом для установки осадкомера является достаточно открытая поляна, окруженная со всех сторон деревьями, или площадка, окруженная строениями.
   Снег, выпадающий на земную поверхность при отрицательных температурах, создает на ней снежный покров, оказывающий большое влияние на тепловой режим и влагооборот в почве и воздухе.
   Продолжительность залегания снежного покрова изменяется от нескольких дней и недель в низких широтах до 8–9 месяцев – в высоких широтах. В одних районах снежный покров лежит в течение всей зимы, в других под влиянием оттепелей исчезает иногда несколько раз за зиму.
   Состояние снежного покрова характеризуется его плотностью, высотой и характером залегания.
   Плотность снежного покрова определяется как отношение массы некоторой пробы снега к ее объему. Она меняется от 0,01 до 0,70 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Плотность свежевыпавшего снега зависит от температуры воздуха и скорости ветра во время снегопада: чем выше температура и чем сильнее ветер, тем плотнее снег. В течение зимы снег уплотняется под действием собственной тяжести и ветра. Зимой плотность снега составляет 0,2–0,3 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а к началу весеннего таяния – 0,6–0,7 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Высота снежного покрова зависит от количества выпавшего снега и его плотности. Большое влияние на высоту снежного покрова оказывают рельеф местности и ветер, переносящий снег с возвышенностей в более низкие места. При переносе ветром снег скапливается у препятствий, где создаются сугробы, и в низких местах.
   Характер залегания снежного покрова зависит от скорости ветра, плотности снега и рельефа местности. Сочетание этих факторов создает неравномерность залегания снежного покрова: образуются сугробы и открытые участки. При слабом ветре или при безветрии снег обычно залегает равномерно.
   К характеристикам снежного покрова относятся также теплопроводность снега, его отражательная и излучательная способность и другие свойства.
   Теплопроводность снега зависит от его плотности: чем больше плотность, тем больше и теплопроводность. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз больше, чем у неподвижного воздуха, но в 10 раз меньше, чем у почвы.
   Отражательная способность свежевыпавшего чистого снега для коротковолновой радиации (альбедо) составляет 90–95 %, а уплотненного, слежавшегося – 30 %. В среднем альбедо снега равно 70–80 %, что в 2–3 раза больше, чем для поверхности почвы, не покрытой снегом.
   Снежный покров излучает длинноволновую радиацию почти как абсолютно черное тело.
   Весеннее таяние и сход снежного покрова определяются следующими факторами:
   – адвективным притоком теплого воздуха;
   – действием солнечной радиации;
   – выпадением дождя с положительной температурой.
   Основной причиной весеннего таяния снега является адвективный приток теплого воздуха. В период снеготаяния около 70 % всего расходуемого тепла поступает от воздуха. При ясной погоде таянию снега в незначительной степени способствует солнечная радиация. Особенно это относится к загрязненному снегу, так как чистый снег отражает большую часть радиации и поэтому тает медленнее, чем загрязненный.
   Интенсивность таяния в большой степени определяется рельефом местности. Например, южные склоны холмов, получающие больше солнечного тепла, чем северные, освобождаются от снежного покрова значительно раньше.
   Талые воды, образующиеся в результате таяния снежного покрова, частично проникают в почву и благоприятствуют развитию растений. Другая часть талых вод стекает в реки и ручьи и вызывает их разлив. Если почва к началу снеготаяния осталась мерзлой, то большая часть воды стекает по ее поверхности. Если же к этому периоду почва оттаяла на всю глубину активного слоя, то талая вода легко просачивается в нее. Большие запасы воды скапливаются в почве при постепенном, медленном таянии снега. После многоснежных зим при интенсивном таянии снежного покрова почва не успевает впитывать воду и возникают половодья.
   Снежный покров имеет большое значение для различных отраслей народного хозяйства. Особенно велика его роль в сельском хозяйстве. В зимнее время он предохраняет почву от промерзания, предотвращает гибель озимых культур, плодово-ягодных насаждений и других зимующих растений. Весной снеготаяние является одним из основных источников увлажнения почвы. При недостатке снега или позднем его выпадении растения гибнут от вымерзания, ледяной корки и выпревания. В результате преждевременного схода снежного покрова растения могут погибнуть от мороза. Избыток снега также может оказать вредное действие на растения. Под глубоким снежным покровом в мягкие зимы происходит выпревание озимых культур. Посевы гибнут и тогда, когда снежный покров осенью образуется на талой почве.
   Для измерения количества выпавшего снега применяются постоянные снегомерные рейки, которые устанавливаются осенью до образования снежного покрова.
   Сначала вбивают в землю деревянный заостренный брусок длиной 40–60 см, на котором имеется запиленная ступенька. К бруску привинчивают снегомерную рейку так, чтобы она стояла вертикально. Рейка – это деревянный брусок длиной около 2 м, сечением 6x2,5 см со шкалой с ценой деления 1 см и оцифровкой через 10 см. При установке нулевое деление рейки должно совмещаться с поверхностью почвы. Отсчеты по рейке делают, находясь от нее на расстоянии 5–6 шагов, не нарушая состояния снежного покрова около рейки. Отсчеты производят всегда с одной и той же точки. При измерении следует учитывать, что под воздействием ветра около самой рейки часто образуется углубление в снегу.
   Переносная снегомерная рейка служит для измерения высоты снежного покрова при маршрутных съемках. Она представляет собой прямоугольный деревянный брусок длиной 180 см, сечением 4 х 2 см. На одной стороне рейки нанесена шкала с ценой деления 1 см. На ее нижнем конце имеется железный наконечник, нижний заостренный край которого совпадает с нулем шкалы.
   Для определения высоты снежного покрова переносную рейку погружают заостренным концом вертикально в снег, при этом она должна дойти до поверхности почвы, но не углубляться в нее. Если при измерениях обнаруживается, что под слоем снега поверхность почвы покрыта льдом, то следует, измерив толщину снега, разгрести его и измерить линейкой толщину льда.
   Плотность снега вычисляют с точностью до 0,001 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

с дальнейшим округлением до 0,01 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(она численно равна отношению массы воды, находящейся в снеге, к объему снега). Для измерения плотности служат снегомеры. Походный весовой снегомер состоит из снегозаборника, весов и лопатки.
   Снегозаборник представляет собой металлический цилиндр, который подвешивается к весам. В комплект снегоизмерительных приборов входит также снеготаялка.
   Измерения количества собранных осадкомером осадков на станциях (независимо от того, заметил наблюдатель или нет их выпадение) производятся четыре раза в сутки и вычисляются для суток. В срок наблюдения наблюдатель приносит из помещения станции пустое ведро, закрытое крышкой (во избежание попадания в него осадков), и заменяет им ведро, стоящее на тагане осадкомера. Затем с установленного (пустого) ведра снимают крышку, закрывают ею снятое ведро (с осадками) и уносят его в помещение, где производят измерение количества осадков. Для этого их через носик ведра сливают в измерительный стакан, установленный на горизонтальную поверхность, и по положению уровня воды относительно его шкалы отсчитывают число делений стакана с осадками, округляя до целых делений. Если количество осадков меньше одного деления стакана, то количество осадков считают равным нулю, однако учитывают, что осадки в этот день выпадали в малых количествах. Если осадков окажется больше 100 делений стакана, измерения следует производить частями, каждый раз записывая результат, а затем суммировать показания (для контроля в скобках записывают число измерений).
   Если осадки твердые или смешанные, то измерения производят только после того, как осадки полностью растают. Нельзя ускорять таяние чрезмерным нагревом ведра – это приводит к погрешности из-за испарения части осадков. Сумму осадков за сутки вычисляют как сумму результатов измерений за четыре срока.
   Наблюдения степени покрытости поверхности почвы, характера залегания и высоты снежного покрова на станции начинают с момента образования до момента полного исчезновения снежного покрова.
   Снегомерные съемки в поле производят тогда, когда снегом покрыто не менее половины видимой окрестности, а на лесных участках – не менее половины площади участка снегосъемки. В балках и оврагах снегосъемка прекращается с началом весеннего снеготаяния. Степень покрытости определяется ежедневно и оценивается по 10-балльной системе (0,1 площади видимой окрестности соответствует одному баллу). Ежедневно оценивают также характер залегания снега: равномерный (без сугробов), с небольшими сугробами, без оголений, с оголениями, с проталинами и когда снег лежит местами.
   Высота покрова измеряется ежедневно по трем постоянным снегомерным рейкам, установленным в середине площадки в вершинах треугольника (близкого к равностороннему) со сторонами около 10 м. Одна из реек устанавливается у почвенно-глубинных термометров (на постах вблизи осадкомера). Высота снежного покрова вычисляется как среднее арифметическое из отсчетов по трем рейкам.
   Измерения с помощью снегомера производят в следующем порядке: проверяют показания весов при взвешивании пустого снегозаборника (эти показания вычитают при дальнейшем взвешивании); снимают снегозаборник и, открыв крышку, отвесно погружают его режущей кромкой в снег.
   Если высота снежного покрова меньше 60 см, то, погрузив цилиндр в снег до соприкосновения его нижнего края с поверхностью почвы, отсчитывают высоту снежного покрова по шкале цилиндра (для контроля перед взятием пробы толщину снежного покрова определяют также при помощи переносной рейки); затем закрывают крышку и лопаткой, входящей в комплект снегомера, счищают снег с одной стороны заборника; после этого, не отнимая лопатки, вынимают заборник из снега и переворачивают его крышкой книзу; затем очищают заборник от приставшего снаружи снега, подвешивают его за дужку к крючку весов (став спиной к ветру) и, держа в руке весы за кольцо, взвешивают заборник со снегом, после чего результат (число делений шкалы весов) записывают.
   В тех случаях, когда снежный покров больше 60 см, весь столб снега вырезают последовательно в несколько приемов. При снегомерных съемках плотность снега измеряют один раз в каждой точке. Плотность снега измеряется только при высоте снежного покрова не менее 5 см.
   На основании данных о плотности снега и высоте его слоя можно определить запас воды в снежном покрове (т. е. высоту слоя воды, который образуется при таянии всего снежного покрова). Определение высоты и плотности снежного покрова производится на специально выбранных площадках и по маршрутам. Характер площадок маршрутов, а также сроки производства измерений определяются специальным Наставлением. Запись измерений высоты и плотности снежного покрова и все необходимые при этом вычисления производятся в специальной книжке.

1.8. Атмосферное давление и плотность воздуха

   Атмосфера, окружающая земной шар, оказывает давление на поверхность Земли и на все предметы, находящиеся над Землей. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха, простирающегося до внешней периферии атмосферы и имеющего сечение 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Если в атмосфере мысленно выделить какой-либо объем, то давление извне, испытываемое его воображаемыми подвижными стенками, равно давлению, которое оказывает воздух изнутри выделенного объема. Воздух – это легко сжимаемая газовая смесь, поэтому на одном и том же уровне в негерметически закрытых помещениях атмосферное давление не отличается от давления под открытым небом.
   Атмосферное давление измеряется высотой ртутного столба, уравновешивающего это давление. Высота ртутного столба при одном и том же атмосферном давлении зависит от его температуры и от ускорения свободного падения, которое несколько меняется в зависимости от широты и высоты над уровнем моря. Чтобы исключить зависимость высоты ртутного столба в барометре от его температуры и от изменения ускорения свободного падения, приводят измеренную высоту к температуре 0 °C и ускорению свободного падения на широте 45° и на уровне моря и, введя инструментальную поправку, получают давление на станции.
   Единицей давления служит паскаль (Па), равный силе 1 ньютон (Н), действующей на площадь 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

:

   В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с точностью до десятых долей. До недавнего времени в метеорологии в качестве единицы давления использовался миллибар (мбар), т. е. тысячная доля бара, равного 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

дин/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

:

Так как атмосферное давление измеряется высотой ртутного столба, уравновешивающего это давление, то применяется еще и внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.):

   где 1 · 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– объем столбика ртути в барометре высотой 1 мм; ρ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 13,595 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– плотность ртути при t = 0 °C; g = 9,807 м/с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– ускорение свободного падения на широте 45° на уровне моря.
   Соотношение между единицами давления:

   Нормальным атмосферным давлением называется давление, равное весу столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C на уровне моря и широте 45°. Это давление равно p -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0,76 ρ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

g = 1013,25 гПа.
//-- Уравнение состояния воздуха. Плотность сухого и влажного воздуха --//
   Плотностью воздуха называется масса единицы его объема. При нормальных условиях в соответствии с формулой Клайперона—Менделеева плотность воздуха равна:

Найдем выражение для плотности влажного воздуха с температурой Т, давлением р и парциальным давлением водяного пара е. Давление сухой части воздуха в общем давлении составляет р – е. Тогда плотность этой части воздуха по уравнению состояния:

   Для водяного пара уравнение состояния представлено формулой, в которой удельная газовая постоянная водяного пара R -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 461,5 Дж/(кг · К).
   Поскольку отношение:

то

И тогда

Плотность влажного воздуха ρ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара:

Подставляя соответствующие значения, получим:

   Плотность влажного воздуха мало отличается от плотности сухого воздуха при одинаковых давлении и температуре, так как отношение е/р очень мало. Лишь при высокой температуре и большой влажности воздуха различие между ρ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и ρ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

становится заметным. Кроме того, при одинаковых температуре и давлении плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха. Это объясняется тем, что во влажном воздухе часть сухого воздуха заменена водяным паром, молярная масса которого составляет лишь 0,622 от молярной массы сухого воздуха.
   Так как численное значение отношения е/р очень мало, то допустимо преобразование:

Тогда уравнение можно записать в виде:

Виртуальной температурой Т -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в метеорологии называют такую температуру, которую должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность была равна плотности влажного воздуха при том же давлении. Виртуальная температура определяется по формуле:

Вводя виртуальную температуру в уравнение состояния влажного воздуха, получим:

   Пользуясь виртуальной температурой, можно применять к влажному воздуху уравнение состояния и другие соотношения, справедливые для сухого воздуха. Применяя для влажного воздуха вместо обычной температуры виртуальную, можно как для сухого, так и для влажного воздуха пользоваться газовой постоянной сухого воздуха R -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, несмотря на то что молярная масса воздуха несколько меняется при изменении его влажности.
   Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Барическое поле можно наглядно представить с помощью поверхностей, во всех точках которых давление одинаково. Такие поверхности называются изобарическими. Вследствие изменения температуры и давления в горизонтальном направлении изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, а наклонены к последней под разными углами и по своей форме очень разнообразны. В одних местах изобарические поверхности прогибаются вниз, образуя обширные, но неглубокие котловины, в других они выгибаются вверх, образуя растянутые холмы.
   Если мысленно пересечь изобарические поверхности поверхностью уровня моря или другой горизонтальной плоскостью, то получатся кривые линии, называемые изобарами. Изобары – это линии, соединяющие точки с одинаковым давлением на данной плоскости.
   На рис. 1.6 приведены вертикальный и горизонтальный разрезы барического поля.
   На вертикальном разрезе барическое поле представлено линиями пересечения изобарических поверхностей с вертикальной плоскостью. Эти линии характеризуют распределение давления по высоте в данной плоскости. На горизонтальном разрезе барическое поле представлено изобарами – линиями пересечения изобарических поверхностей с горизонтальной плоскостью. Эти линии характеризуют распределение давления по горизонтали на данном уровне.

   Рис. 1.6. Изобары в циклоне (Н) и антициклоне (В) на уровне моря (1) и на более высоком уровне (2)

   Для получения наглядного представления о распределении давления на земной поверхности строят карты изобар на уровне моря. Для этого на географическую карту наносят атмосферное давление, измеренное на метеорологических станциях и приведенное к уровню моря. Затем точки с одинаковым давлением соединяют плавными кривыми линиями. Карты изобар могут быть построены по результатам наблюдений в определенные моменты времени (синоптические карты), а также по средним многолетним данным за различные промежутки времени – месяц, сезон, год (климатологические карты). Изобары проводят через определенные интервалы давления – на синоптических картах обычно через 5 гПа.
   В зависимости от характера распределения давления изобары, подобно горизонталям на топографических картах, могут иметь разнообразную конфигурацию. Но так как в одной точке не может быть одновременно двух значений давления, то изобары не могут пересекаться. В пределах одной ограниченной карты изобары могут быть незамкнутыми, но поскольку давление меняется в пространстве непрерывно, то в масштабе всего земного шара каждая изобара непременно замкнута. Однако очень часто некоторые изобары могут быть замкнутыми даже в пределах одной карты. В зависимости от формы изобар и распределения давления различают барические системы или области барического поля. Области замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называются барическими минимумами или циклонами. В области барического минимума давление возрастает от центра к периферии. Области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называются барическими максимумами или антициклонами. В области барического максимума давление от центра к периферии убывает. На периферии этих областей или между ними изобары на некотором участке карты могут приближаться к прямым линиям. Кроме циклонов и антициклонов, в барическом поле часто наблюдаются промежуточные барические системы: ложбины, гребни, седловины. Ложбиной называется связанная с циклоном и вытянутая от его центра к периферии полоса пониженного давления, вклинивающаяся между двумя областями повышенного давления. Гребнем называется связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления, расположенная между двумя областями пониженного давления. Седловиной называется барическая область, заключенная между двумя циклонами и двумя антициклонами, расположенными в шахматном порядке. Горизонтальные размеры барических систем изменяются от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Их вертикальная протяженность достигает нескольких километров.
   В циклоне изобарические поверхности прогнуты вниз в виде воронок, а в антициклоне выгнуты вверх в виде куполов. В ложбине изобарические поверхности имеют вид желоба с ребром, обращенным вниз, а в гребне – вид желоба с ребром, обращенным вверх. В седловине изобарические поверхности имеют вид седла, так как поднимаются к антициклонам и опускаются к циклонам. Таким образом, изобарические поверхности всегда понижаются в сторону низкого давления.
   На расположение изобарических поверхностей в пространстве большое влияние оказывает температура воздуха. При одинаковом давлении у земной поверхности одни и те же барические поверхности в теплом воздухе лежат выше, чем в холодном, а соседние поверхности расположены дальше друг от друга. Объясняется это тем, что в холодном воздухе, как более плотном, давление уменьшается с высотой быстрее, чем в теплом. Таким образом, конфигурация и положение изобарических поверхностей зависят от распределения в пространстве не только давления, но и температуры.
   Изобарические поверхности наглядно представляют барическое поле и позволяют судить о характере изменения давления во всех направлениях. Но они не дают количественной характеристики этого изменения.
   Сильнее всего давление меняется в направлении, перпендикулярном изобарической поверхности.
//-- Методы и приборы измерения атмосферного давления --//
   Атмосферное давление измеряется с помощью ртутных барометров и барометров-анероидов. Ртутные барометры имеют существенные недостатки, связанные, в частности, с применением ртути, поэтому в ряде случаев используют деформационные барометры разных типов. В некоторых случаях пользуются термобарометром.
   Для регистрации атмосферного давления применяют барографы с упругими чувствительными элементами.
   Ртутные барометры могут быть трех систем. Стеклянную трубку длиной около 90 см, запаянную с одного конца, наполняют ртутью, затем, прикрыв отверстие, опрокидывают и погружают незапаянным концом в ртуть, налитую в чашку; после открытия отверстия трубки ртуть из нее вытекает в чашку только частично. В трубке останется столб ртути определенной высоты. Давление этого столба ртути (предполагается, что трубка вертикальна) и давление оставшегося внутри трубки воздуха уравновешивают атмосферное давление, оказываемое на поверхность ртути в чашке. Давление, оказываемое ртутным столбом, равно атмосферному. Таким образом, измеряя высоту, определяют атмосферное давление.
   Барометр чашечный станционный с компенсированной шкалой представляет собой барометрическую трубку, запаянную с верхнего конца, с внутренним диаметром 7,2 мм и длиной около 800 мм, заполненную под вакуумом очищенной ртутью.
   При измерениях следует следить за тем, чтобы положение барометра не отклонялось от вертикального.
   При вычислении результатов измерений по барометрам вводятся две поправки: 1) постоянная поправка, слагающаяся из двух поправок – инструментальной и на силу тяжести; 2) поправка на приведение показаний барометра к температуре 0 °C.
   Поправка на силу тяжести, определяемая в зависимости от широты и высоты места, с изменением давления меняется незначительно, поэтому ее вычисляют для данной станции по среднегодовому значению давления и, суммируя с инструментальной поправкой, получают постоянную поправку.
   Принцип действия деформационных барометров основан на зависимости упругой деформации твердых тел от оказываемого на них давления. В качестве первичных преобразователей для этих барометров применяются элементы особой формы и конструкции, чувствительные к изменению давления и преобразующие его в линейное перемещение или силу (усилие). Наиболее распространенными из них являются вакуумированные мембранные коробки (барокоробки), блоки из них (бароблоки) и сильфоны, изготовляемые из стали, бронзы и их сплавов с другими металлами.
   Барокоробка состоит из двух спаянных или сваренных по периметру круглых мембран, имеющих жесткие центры с крепежными ножками. Из отдельных коробок, скрепляемых между собой винтовыми соединениями ножек, собирается бароблок. Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку, закрытую с обоих концов впаянными дисками.
   Внешнее (атмосферное) давление на мембраны, направленное на сжатие коробки, уравновешивается силой упругой деформации мембран или, если они недостаточно упруги, силой дополнительной измерительной пружины. При изменении давления равновесие нарушается, мембраны (или пружина при ее наличии) деформируются до положения, при котором равновесие восстанавливается; произошедшее при этом перемещение жестких центров мембран коробки относительно друг друга служит мерой изменения атмосферного давления. Жесткие центры мембран не должны смещаться относительно друг друга, а изменения давления на мембраны компенсируются соответствующим изменением натяжения измерительной пружины, связанной с жесткими центрами мембран.
   В наиболее широко применяемых деформационных барометрах-анероидах в качестве первичных преобразователей используются барокоробки и бароблоки. Бароблок (или барокоробка) крепится одной из свободных ножек к основанию анероида. На этом же основании монтируется его вторичный преобразователь, который связывается со второй свободной ножкой бароблока. В анероидах, основанных на принципе измерения деформации (линейного перемещения жестких центров), в качестве вторичного преобразователя применяется передаточно-множительный механизм, который преобразует малые перемещения свободного жесткого центра относительно основания в достаточно большие угловые перемещения стрелки анероида.

1.9. Воздушные течения в атмосфере

   Ветер, т. е. движение воздуха относительно земной поверхности, возникает вследствие неодинаковости атмосферного давления в разных точках атмосферы. Так как давление меняется по вертикали и по горизонтали, то воздух обычно движется под некоторым углом к земной поверхности. Вертикальная составляющая ветра обычно значительно меньше горизонтальной и становится заметной только при сильной конвекции или при наличии орографических препятствий, когда воздух вынужден подниматься или стекать по склонам возвышенностей.
   Ветер характеризуется скоростью и направлением. Направление ветра определяется той точкой горизонта, откуда ветер дует. Для обозначения направления ветра в метеорологии используются 16 точек горизонта, называемых румбами, а иногда азимут той точки, откуда дует ветер.
   Румбы (и азимуты) выражаются в угловых градусах. При этом отсчет градусов ведется от севера через восток, так что северному направлению соответствует 0°, восточному – 90°, южному – 180°, западному – 270°.
   Скорость ветра выражается в метрах в секунду (м/с), а в некоторых случаях – в километрах в час (км/ч). Для визуальной оценки скорости ветра на практике пользуются баллами по шкале.
   Ветры над обширными пространствами, охватывающие также большую или меньшую толщу атмосферы, образуют воздушные течения. Воздушные течения – это целые системы ветров, обладающие некоторой устойчивостью во времени. Распределение воздушных течений над земной поверхностью, т. е. поле воздушных течений, можно характеризовать либо векторами (стрелками), указывающими направление и скорость ветра в разных точках, либо линиями тока. Линией тока называется линия, во всех точках которой касательная совпадает с направлением ветра в данный момент. На рис. 1.7 изображены линии тока ветра в циклоне.

   Рис. 1.7. Изобары (1) и линии тока (2) в нижних слоях циклона (а) и антициклона (б)

   Поле ветра с течением времени изменяется. Поэтому изменяется и расположение линий тока. При сужении сечения воздушного потока скорость его обычно увеличивается и линии тока сближаются. При расширении сечения воздушного потока скорость его уменьшается, а линии тока расходятся.
   Скорость и направление ветра характеризуют общее движение воздушного потока как целого. Но в движущемся воздухе вследствие трения о земную поверхность, а также неравномерного ее нагревания всегда имеет место турбулентность.
   Отдельные струи, объемы и порции воздуха движутся беспорядочно, по всевозможным направлениям и с различными скоростями. Поэтому в каждой точке пространства происходят быстрые изменения как скорости, так и направления ветра. Движение воздуха в каждой точке складывается из отдельных толчков, или порывов, внезапных усилений и ослаблений ветра, непрерывно следующих друг за другом. Такой характер движения воздуха называют порывистостью ветра. Обычно под скоростью ветра подразумевается сглаженная скорость, т. е. средняя за тот или иной небольшой промежуток времени, в течение которого производится ее измерение. Линии тока отдельных объемов воздуха, быстро меняющиеся во времени, называются мгновенными.
   Для наблюдений за порывистостью ветра необходимы малоинерционные приборы, способные реагировать на быстрые изменения скорости и направления ветра. Измерения показывают, что элементарные порывы, т. е. скачкообразные увеличения и уменьшения скорости, в среднем составляют 3 м/с, а продолжительность их – десятые доли секунды.
   Порывистость ветра зависит от его скорости: чем больше скорость, тем больше и порывистость. Но при очень больших скоростях порывистость меняется мало. Порывистость зависит также от термической стратификации. В устойчивых массах ветер более ровный, а в неустойчивых порывистость его возрастает. Поэтому порывистость имеет хорошо выраженный суточный и годовой ход. В суточном ходе она увеличивается при усилении конвекции, т. е. в дневные часы. Максимум порывистости наблюдается в послеполуденное время, а минимум – ночью.
   В годовом ходе максимум порывистости имеет место весной, а минимум – зимой. Наступление максимума весной, а не летом вызвано тем, что весной деятельная поверхность более разнообразна, чем летом. Это вызывает усиление турбулентности, а следовательно, и порывистости ветра в приземном слое атмосферы. Порывистость увеличивается над участками с большой шероховатостью: над пересеченной местностью, над отдельными холмами, над лесом и т. п., что также объясняется усилением турбулентности над такими участками. По мере поднятия над земной поверхностью порывистость ветра уменьшается. Но все же она остается заметной до высоты 2–3 км. Относительно более ровные потоки воздуха, без порывов, отмечаются при инверсиях. В то же время под слоем инверсии часто наблюдается усиление порывистости.
   При сильной неустойчивости атмосферы, когда образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной протяженности, в облаке и под ним возникает вихревое движение воздуха с горизонтальной осью, в которое вовлекается воздух из окружающего пространства. Такой горизонтальный вихрь создает при приближении кучево-дождевого облака очень сильные порывы ветра. Резкое кратковременное усиление ветра на ограниченной территории, обычно наблюдающееся под передней частью кучево-дождевого облака, называется шквалом. Скорость ветра при шквале увеличивается до 30 м/с и более, а продолжительность шквала достигает нескольких минут. Иногда шквалы следуют друг за другом с небольшими перерывами.
   Неровности земной поверхности и наземные предметы создают в воздушном потоке различные возмущения. При встрече со строениями, отдельными деревьями, лесными массивами, холмами, горами и т. п. воздушный поток вынужден перетекать их сверху или обтекать с боков. При этом значительно изменяются направление и скорость ветра, а также его структура: вблизи препятствия возникают завихрения, усиливается турбулентность. Изменения воздушного потока при встрече с препятствиями зависят от размеров, формы и расположения препятствий, от скорости ветра и состояния атмосферы.
   Если препятствие имеет большую горизонтальную протяженность (лес, горный хребет, ряд холмов или строений), то с его наветренной стороны возникает вихрь с параллельной препятствию горизонтальной осью, создающий у земной поверхности движение воздуха в сторону от препятствия.
   Еще до встречи с таким препятствием воздух уже начинает подниматься и затем перетекает препятствие, где линии тока сближаются, вследствие чего скорость ветра над препятствием увеличивается. На подветренной стороне линии тока постепенно опускаются и лишь на более или менее значительном расстоянии за препятствием достигают земной поверхности. Непосредственно за препятствием создается «ветровая тень», т. е. область, внутри которой скорость ветра уменьшена. Здесь также возникает вихрь с горизонтальной осью, так как с увеличением скорости над препятствием происходит подсасывание воздуха, находящегося за препятствием.
   Вихри на наветренной стороне препятствия обычно малоподвижны, на подветренной же стороне большей частью возникают движущиеся вихри, которые относятся потоком воздуха в сторону и затухают, а на смену им вблизи препятствия зарождаются новые вихри. Возмущающее влияние препятствия сказывается с той и другой его стороны на расстоянии, примерно в 10–20 раз большем, чем высота самого препятствия.
   При встрече с отдельными предметами (холмами, постройками) воздушный поток огибает их, и скорость ветра с боков препятствий увеличивается, а за ними возникают вихри с вертикальной осью. Если воздушный поток протекает через узкий проход между двумя холмами или через невысокий горный перевал, то сечение воздушного потока уменьшается, линии тока сближаются и возникают сильные ветры (20–25 м/с) при сравнительно слабых ветрах на соседних участках.
   Если ветер дует вдоль долин и ущелий, то воздушный поток свободно перемещается по их оси. Если же направление ветра перпендикулярно оси долины или другой впадины, то движение воздуха в ней ослаблено. На дне долины воздух находится в более спокойном состоянии, чем над долиной. В результате верхний поток подсасывает воздух и заставляет его постепенно вытекать из долины вверх, в область верхнего потока. При этом в долине возникает вихрь с горизонтальной осью.
   Влияние леса на воздушные течения двоякое. Во-первых, лес замедляет поток воздуха у земной поверхности. На расстоянии около 50 м перед лесом скорость ветра начинает уменьшаться и становится равной нулю внутри леса, если он густой. Позади леса, на расстоянии от 100 до 500 м, также отмечается ослабление ветра. Во-вторых, в зависимости от густоты леса большая или меньшая часть воздушного потока поднимается и протекает над лесом, а другая его часть проходит сквозь лес. Над лесом скорость и порывистость ветра увеличиваются. Это заметно до высоты 200–300 м. Внутри леса наблюдается слабый ветер или затишье. Благодаря ослабляющему действию леса на воздушные потоки, большое значение в борьбе со сдуванием почвы, с пыльными бурями и снежными заносами приобретают ветрозащитные лесные полосы.
   Сила, приводящая в движение воздух, возникает при наличии разности давлений в двух точках пространства. Разность давлений по горизонтали характеризуется горизонтальным градиентом давления. Отсюда эта сила называется градиентной силой.
   Как правило, антициклоны отличаются малыми градиентами и слабыми ветрами, особенно в центральных областях. В циклонах же наблюдаются значительно большие градиенты, а ветер иногда достигает ураганной силы, например в тропических циклонах.
   При круговых изобарах движение тоже будет криволинейным и к силам, действующим на движущийся воздух, прибавится центробежная сила. При стационарном движении ветра градиентная сила уравновешивается суммой сил (трения, отклоняющей и центробежной). Центробежная сила действует в сторону, противоположную отклоняющей силе. Равнодействующая этих сил направлена противоположно градиентной силе и равна ей по величине.
   В приземном слое минимум скорости ветра наблюдается ночью. После восхода Солнца он усиливается и происходит небольшое его вращение по часовой стрелке. После полудня скорость ветра достигает максимума. Затем он постепенно ослабевает и поворачивает обратно, возвращаясь к исходному направлению. Такой суточный ход ветра отмечается летом до высоты 100–300 м, а зимой – до высоты 20–30 м.
   В вышележащих слоях наблюдается обратный суточный ход скорости ветра, т. е. максимум скорости отмечается ночью. После восхода Солнца ветер начинает уменьшаться и медленно поворачивает влево. В послеполуденные часы скорость уменьшается до минимума, после чего ветер снова усиливается и поворачивает вправо, принимая первоначальную скорость и направление. Высота, на которой один тип суточного хода ветра сменяется другим, называется высотой обращения ветра.
   Амплитуда суточного изменения скорости ветра составляет 3–5 м/с. Летом она больше, чем зимой, а в ясные дни больше, чем в пасмурные.
   Причиной суточного хода ветра является суточное изменение интенсивности турбулентного перемешивания. Ночью в приземном слое атмосферы, как правило, наблюдается инверсия, конвекция отсутствует и турбулентное перемешивание очень ослаблено. Самый нижний слой атмосферы из-за трения о подстилающую поверхность движется очень медленно, а иногда наблюдается и полное отсутствие его движения. В более высоких слоях ветер не испытывает тормозящего влияния поверхности. С восходом Солнца увеличивается термическая неустойчивость, усиливается турбулентность, а тем самым и взаимодействие между нижними, медленно движущимися, и более высокими, быстро движущимися слоями. Это приводит к выравниванию свойств, в том числе скорости и направления ветра, на разных высотах. В результате перемешивания сверху вниз приходит воздух, движущийся с большей скоростью и имеющий большее отклонение от направления барического градиента. Поэтому внизу ветер усиливается и поворачивает вправо. В то же время снизу вверх приходит воздух, медленно движущийся в направлении, почти совпадающем с направлением барического градиента. Поэтому в верхней части пограничного слоя происходит уменьшение скорости ветра и вращение его влево. В 13–14 часов в нижних слоях скорость ветра достигает максимума, а в более высоких – минимума. По мере ослабления турбулентности взаимодействие между нижними и более высокими слоями уменьшается и ночью почти прекращается. В результате этого скорость ветра в нижних слоях под влиянием внешнего трения ночью уменьшается, а в более высоких слоях, уже свободных от влияния земной поверхности, увеличивается до значения, равного скорости градиентного ветра.
   В умеренных и полярных широтах Северного полушария наибольшая скорость ветра наблюдается зимой, когда разность температур между этими широтами наиболее велика и соответственно велика разность давлений. К лету с уменьшением контраста температур и, следовательно, градиентов давления ветер ослабевает.
   Поскольку в теплом воздухе изобарические поверхности располагаются на больших расстояниях друг от друга, чем в холодном, возникает замкнутая циркуляция воздуха.
   Циркуляция воздуха возникает в результате охлаждения какого-либо отдельного участка земной поверхности: над ним развивается нисходящее движение воздуха, а над соседними, не охладившимися, участками – восходящее. Внизу воздух будет перетекать с холодного участка на теплый, а наверху – в обратном направлении.
   Циркуляция, подобная описанной выше, возникает вследствие различного нагревания разных участков земной поверхности. Воздушные течения, возникающие при этом у земной поверхности, характерны только для определенных географических районов и потому называются местными ветрами. К местным ветрам термического происхождения относятся бризы, горно-долинные и ледниковые ветры.
   Бризами называются ветры, возникающие возле береговой линии морей и других крупных водоемов и имеющие отчетливо выраженную суточную смену направления. Днем ветер дует с моря на сушу (морской бриз), а ночью – с суши на море (береговой бриз). Причиной бризов является разность температур воздуха над морем и над сушей, вследствие которой и возникает замкнутая термическая циркуляция воздуха.
   Бризовая циркуляция хорошо выражена при больших контрастах температур между водоемом и сушей и при отсутствии более обширного и мощного общего переноса воздуха, который, накладываясь на бриз, маскирует его. Такие условия выполняются в ясную погоду в тропических широтах, например, на побережьях морей, граничащих с пустынями, где особенно велики разности температур суши и моря. Хорошо развитые бризы наблюдаются в теплое время года на берегах морей. При благоприятных условиях бризы наблюдаются также на побережьях крупных озер (таких, как Севан, Ладожское и др.) и широких рек (например, в низовьях Волги). Но эти бризы имеют значительно меньшие скорости и охватывают меньшее пространство. Известны бризовые циркуляции между полем и лесом, полем и болотом, но они еще слабее.
   Морские бризы оказывают заметное влияние на условия погоды в прибрежной полосе суши: понижают температуру и повышают относительную и абсолютную влажность воздуха, нарушают обычный ветровой режим, влияют на характер облачности и т. д.
   Местные ветры могут возникать не только в форме термической циркуляции, но и вследствие механического возмущения воздушных течений рельефом местности. Так, при перетекании воздушных потоков через горные препятствия на подветренных склонах возникают нисходящие ветры, которые у подножия препятствий в одних случаях вызывают повышение температуры (фён), а в других ее понижение (бора). Фён – теплый, сухой и порывистый ветер, дующий с гор в долины. Фён образуется при перетекании воздуха через хребты, расположенные перпендикулярно воздушному потоку. На наветренной стороне хребта возникает восходящее движение воздуха, а на подветренных склонах – нисходящий ветер, т. е. фён. Воздух, опускающийся по подветренному склону, нагревается, содержащийся в нем водяной пар увеличивает свою концентрацию до состояния насыщения, и воздух приходит в долину с более высокой температурой и более низкой относительной влажностью, чем температура и влажность воздуха, ранее занимавшего эту долину. Чем больше высота, с которой опускается воздух, тем выше температура фёна.
//-- Роза ветров --//
   Скоростью ветра называют горизонтальную составляющую скорости перемещения воздуха относительно неподвижной точки земной поверхности. Скорость ветра является вектором и характеризуется числовым значением и направлением. В метеорологии, однако, скоростью ветра принято называть числовое значение скорости. На метеорологических станциях скорость и направление ветра измеряют раздельно двумя разными (независимо действующими) приборами.
   Направлением ветра принято считать азимут точки, откуда ветер дует. Направление ветра измеряют в угловых градусах или румбах горизонта.
   Скорость и направление ветра меняются непрерывно. Характер изменчивости скорости и направления ветра зависит от метеорологических условий и характера местности. Мгновенные значения скорости и направления являются неустойчивыми характеристиками ветра. Они непрерывно колеблются около средних значений, устойчивых в течение достаточно большого отрезка времени.
   Скорость ветра принято усреднять в десятиминутном интервале времени (иногда – в двухминутном). Для направления ветра достаточен интервал усреднения, равный 2 мин (1–3 мин). Кроме этого, определяется изменчивость скорости и направления ветра во времени (порывистость ветра). Порывистость оценивается качественно по степени изменчивости мгновенных значений скорости и направления ветра. Мгновенной скоростью принято считать скорость, усредняемую вследствие инерционности измерительного прибора за интервал 2–5 с. Порывистость ветра характеризуется также максимальными значениями мгновенной скорости. Скорость и направление ветра на метеорологических станциях измеряют на высоте 10–12 м от поверхности Земли. Направление ветра в градусах принято отсчитывать, начиная с севера по часовой стрелке.
   Направление ветра в румбах горизонта определяют по 16-румбовой системе. Для обозначения румбов используются начальные буквы названий стран света: север (С), юг (Ю), восток (В) и запад (З). Иногда используют латинские буквы N, S, W, Е. При обозначении промежуточных румбов называют оба румба, между которыми находится данное направление ветра, причем первым по порядку называют основной румб.
   Основных румбов два: север (С) и юг (Ю). Таким образом, если направление ветра находится между югом и западом, то оно обозначается ЮЗ и называется юго-западным. Если направление ветра приходится посредине между ЮЗ и Ю, то его обозначают ЮЮЗ, в первую очередь указывая основной румб – Ю, а затем производный – ЮЗ. Для Москвы, например, наиболее характерно юго-западное направление ветра (поэтому ее Юго– Восточный административный округ загрязнен в наибольшей степени).
//-- Приборы и средства измерения параметров ветра --//
   Приборы, служащие для измерения скорости ветра, называются анемометрами. Приборы, измеряющие и записывающие скорость и направление ветра, называются анеморумбографами. Приборы, регистрирующие скорость ветра, называются анемографами.
   Первичным преобразователем направления ветра является флюгарка (флюгер), которая представляет собой жесткую асимметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластин и противовеса, свободно вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в плоскости ветра противовесом навстречу ветру (указывая, откуда ветер дует). Большинство флюгарок имеет две лопасти, расположенные под углом друг к другу, что создает им устойчивость в воздушном потоке и повышает их чувствительность, а это особенно важно при небольших скоростях ветра.
   Установка флюгера на метеорологической станции в значительной мере определяет качество получаемых с его помощью данных. Неправильная ориентация прибора приводит к систематической ошибке в определении направления ветра, неправильный наклон прибора – к систематическим ошибкам по скорости, зависящим от направления, и т. д. Поэтому установка флюгера должна производиться строго по правилам. Правила установки флюгера в основном применимы и для датчиков станционных анеморумбографов, и для датчиков ветра наземных дистанционных и автоматических станций. Флюгер устанавливают на таком уровне, чтобы воздушный поток не экранировался окружающими предметами и не искажался ими. На метеорологической площадке его устанавливают на мачте высотой 10–12 м над поверхностью земли.
   Шкалу направлений ветра следует ориентировать по странам света (С, Ю, В, З). Для этого штифт с буквой С (или N) устанавливают на астрономический север, который находят по полуденной линии или с помощью магнитного компаса.
   Полуденную линию находят по тени от оси флюгера в истинный полдень и отмечают ее несколькими колышками, установленными вдоль тени, или шнуром, натянутым на двух колышках. Для определения линии меридиана с помощью компаса надо знать угол магнитного склонения в районе метеорологической станции. Анемометр следует устанавливать вертикально, плоской поверхностью корпуса параллельно направлению ветра (в таком положении анемометр поверяется), шкальной стороной к наблюдателю. Показания всех трех стрелок прибора записывают. Через 20–30 с вращения чашек без включенного счетчика одновременно включают счетчик и секундомер и через заданное время (обычно 10 мин) выключают и записывают новые показания анемометра. Разность показаний счетчика делят на число секунд, определяя среднее число делений в секунду. Среднюю скорость в метрах в секунду находят по градуировочной шкале или таблице, имеющейся в поверочном свидетельстве каждого анемометра.
   Анемометр ручной индукционный (АРИ) позволяет измерять среднюю (за 3–6 с) скорость ветра в пределах от 2 до 30 м/с.
   Первичным преобразователем в этом анемометре служит трехчашечная вертушка, посаженная на общую с магнитным тахометром ось. Анемометр собран в составном корпусе, в верхней части которого на подшипниках установлена ось. На верхнем конце оси укреплена трехчашечная вертушка, а на нижнем конце – вторичный преобразователь, представляющий собой магнитный тахометр.

1.10. Атмосферные явления и метеорологическая дальность видимости

   Оптические явления в атмосфере, т. е. явления, воспринимаемые нашим органом зрения – глазом, возникают при прохождении через атмосферу световых лучей видимой части спектра Солнца или других небесных светил, а также световых лучей, испускаемых или отражаемых земной поверхностью и земными предметами.
   Атмосфера представляет собой мутную, оптически неоднородную среду. Не только молекулы воздуха, но и взвешенные в нем жидкие и твердые частички (аэрозоли) рассеивают и поглощают световую радиацию, причем неодинаково в разных участках спектра. Кроме того, световые лучи, проходя через атмосферу, встречают на своем пути слои воздуха различной плотности, небольшие вихри и струйки, создаваемые турбулентностью, что вызывает преломление световых лучей.
   В верхней атмосфере на высотах от 70–80 до 200–300 км происходит ряд фотохимических процессов, обусловленных воздействием Солнца, которые приводят к слабой люминесценции неба, называемой свечением атмосферы. В этих и еще более высоких слоях (до 1000 км) вторжение солнечных корпускул вызывает свечение газов, называемое полярным сиянием. На находящихся в облаках водяных каплях и кристаллах льда, а также в завесе дождя происходят преломление, отражение и дифракция световых лучей.
   Все оптические явления в зависимости от причин образования делятся на четыре группы:
   1) явления, обусловленные рассеянием света в атмосфере: освещенность, форма и цвет неба, сумерки;
   2) явления, вызванные преломлением световых лучей в атмосфере (рефракцией): миражи, мерцание звезд, сужение и расширение горизонта;
   3) явления, обусловленные преломлением световых лучей в каплях и кристаллах облаков;
   4) явления, определяемые дифракцией света в тумане: венцы, глории.
   В дневные часы прямые и рассеянные лучи Солнца создают естественную освещенность земной поверхности и объектов, которая играет важную роль как в жизни человека, так и в жизни всего органического мира. Особенно велика роль рассеянного света, позволяющего нам видеть земную поверхность и все, что расположено на ней, при отсутствии прямого солнечного света, в тени или в пасмурную погоду.
   В ясный день в атмосфере рассеивается около 20 % солнечных лучей. В пасмурный день доля рассеянного света в освещенности земной поверхности возрастает до 100 %.
   Рассеянный в атмосфере солнечный свет сглаживает переход от дня к ночи, смягчает резкость теней, освещает дали, создает воздушную перспективу, приводит к образованию сумерек, значительно удлиняющих светлую часть суток.
   В метеорологии рассматривают освещенность, создаваемую прямыми солнечными лучами, рассеянным светом и суммарную. Обычно при измерениях освещенность относят к горизонтальной поверхности. Лишь в отдельных, специальных случаях рассматривают освещенность наклонных и различно ориентированных поверхностей.
   Наблюдения показывают, что освещенность как прямым, так и рассеянным светом в первую очередь зависит от высоты Солнца. С увеличением высоты Солнца освещенность прямыми лучами Солнца растет быстрее, чем освещенность рассеянным светом. Поэтому доля освещенности прямыми лучами в суммарной освещенности с увеличением высоты Солнца также увеличивается. Такая зависимость определяет в основном суточный и годовой ход освещенности. Так, например, максимум освещенности отмечается в полуденные часы и летом.
   На освещенность сильное влияние оказывает изменение прозрачности атмосферы. С увеличением прозрачности освещенность прямыми лучами Солнца увеличивается, а освещенность рассеянным светом, наоборот, уменьшается. Но так как само значение рассеянной освещенности меньше освещенности прямыми лучами, то суммарная освещенность при увеличении прозрачности воздуха тоже увеличивается. Этим объясняется то, что освещенность в больших городах значительно меньше, чем в сельской местности.
   На освещенность значительно влияет также облачность. При этом изменения освещенности могут быть как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения – в зависимости от формы облаков, их количества и высоты Солнца, которая определяет освещение облаков. Обычно облака увеличивают освещенность рассеянным светом, и тем больше, чем больше при этом высота Солнца.
   На освещенность рассеянным светом большое влияние оказывает и альбедо земной поверхности. Так, при наличии снежного покрова освещенность увеличивается в среднем на 10–20 %; а при малых высотах Солнца – более чем на 100 %. Это объясняется рассеянием отраженной радиации.
   Увеличение яркости около Солнца (так называемый ореол) тем больше, чем больше замутнена атмосфера. При исключительно чистом воздухе ореол почти не виден и голубое небо примыкает к самому диску Солнца. Яркость небесного свода зависит также от высоты Солнца: чем меньше высота Солнца, тем меньше яркость, особенно в противоположной Солнцу стороне. Кроме того, яркость небесного свода увеличивается при увеличении отраженного от земной поверхности света, т. е. при увеличении альбедо поверхности.
   Цвет небесного свода определяется теми видимыми лучами, которые попадают в наш глаз из атмосферы, т. е. солнечными лучами, рассеянными атмосферой.
   Белый солнечный свет представляет собой смесь различных цветных лучей, которые рассеиваются по-разному. Если сложить лучи всех цветов, центр тяжести приходится на синие и голубые лучи, поэтому мы видим безоблачное небо синим и голубым. В то же время прямой солнечный свет более богат длинноволновыми лучами – желтыми, оранжевыми, красными. Особенно это заметно при восходе и заходе Солнца, когда солнечные лучи проходят наибольшую толщу атмосферы и потеря синих и голубых лучей особенно заметна. Таким образом, присутствие в атмосферном воздухе примесей в виде капелек воды, пылинок, кристаллов льда приводит к тому, что на сине-голубой цвет неба накладывается белый цвет различной интенсивности (в зависимости от количества примесей) и небо приобретает белесоватый оттенок.
   При большой влажности и высокой температуре воздуха или после длительной засухи количество крупных взвешенных частичек может быть настолько велико, что голубой цвет неба полностью пропадает и весь небесный свод становится белесоватым с большой ослепительной яркостью. Если после длительной засухи пройдет дождь, то голубизна неба восстанавливается, так как дождь вымывает пыль из атмосферы.
   Таким образом, по степени синевы неба можно судить о чистоте воздуха, а следовательно, о характере воздушной массы.
   Сумерки. Сумеречная освещенность. Ежедневный переход ото дня к ночи и наоборот совершается не мгновенно, а растягивается на более или менее длительный период, называемый сумерками, в течение которого отмечается множество быстропроходящих и разнообразных оптических явлений. Переход ото дня к ночи называют вечерними сумерками, а от ночи ко дню — утренними.
   Физическая сущность сумерек заключается в том, что после захода и перед восходом Солнца поверхность Земли находится в тени, но некоторое время получает свет, рассеянный теми слоями атмосферы, которые расположены над горизонтом и которые еще после захода Солнца (или уже до его восхода) освещаются прямыми солнечными лучами.
   Чем ниже под горизонт погружается Солнце, тем выше в атмосферу поднимается тень Земли, тем меньшая часть атмосферы освещается прямыми солнечными лучами. Количество рассеянного света, доходящего до поверхности Земли, уменьшается, так как он поступает от более высоких и более разреженных слоев атмосферы; уменьшаются освещенность земной поверхности, яркость неба, и постепенно исчезает его окраска.
   Исследования показывают, что при общем плавном ходе изменения освещенности в течение сумерек отмечается особенно резкое ослабление света (скачок) в начале и в конце сумерек.
   Продолжительность сумерек определяется быстротой погружения Солнца под горизонт, что, в свою очередь, зависит от широты места и времени года.
   После окончания астрономических сумерек с наступлением ясной безлунной ночи не наступает полная, абсолютная темнота. На земную поверхность всегда поступает некоторое количество света от небесного свода. В лунные ночи это очень слабое свечение ночного неба перекрывается лунным светом.
   Зарею называют сочетание световых явлений в атмосфере, протекающих во время сумерек (утренняя и вечерняя заря). Явление зари состоит в изменениях цвета диска Солнца и неба преимущественно в той стороне, где находится Солнце, и частично – в противоположной стороне.
   Заря начинается при приближении Солнца к горизонту появлением желто-оранжевой окраски и заканчивается к концу астрономических сумерек исчезновением зеленовато-белесоватой полоски на горизонте над Солнцем.
   В окраске зари преобладают красные, оранжевые и желтые тона. Это объясняется тем, что солнечные лучи, освещающие во время зари нижние слои атмосферы, пронизывают толщу воздуха. При этом они теряют большую часть коротковолновой радиации (зелено-синие лучи) и приобретают красный тон. Следовательно, рассеянный в этих слоях свет тоже приобретает красный оттенок (условные обозначения метеорологических явлений приведены в Инструкциях Росгидромета).
//-- Метеорологическая дальность видимости (МДВ) реальных объектов --//
   Наблюдая удаленные от нас объекты (здания, части ландшафта и пр.), мы замечаем, что степень их видимости непостоянна. Видимость бывает очень хорошей, когда четко различаются все детали объекта; очень плохой, когда объект еле различим на фоне, и, наконец, может достигать такого предела, когда объект зрением не воспринимается. Такие изменения видимости зависят от многих причин: от расстояния между глазом и объектом, от размеров и формы объекта, от яркости и цвета объекта и фона, на котором объект рассматривается, от освещенности объекта и фона, от прозрачности атмосферы и, наконец, от свойств органа зрения – глаза.
   Количественно видимость характеризуется величиной, которая называется дальностью видимости. Дальность видимости объекта – это то предельное расстояние, начиная с которого наблюдаемый объект под влиянием атмосферной дымки становится неотличимым от фона, т. е. становится невидимым.
   Дальность видимости зависит, с одной стороны, от объективных свойств наблюдаемых объектов и состояния атмосферы, а с другой – от субъективных особенностей органа зрения. И те и другие в естественных условиях чрезвычайно изменчивы, что очень усложняет проблему изучения дальности видимости.
   Мы способны видеть объект только в том случае, если он отличается по яркости от фона, на котором проектируется. Это различие яркостей характеризуется контрастом, который определяется как отношение абсолютной разности яркости фона и объекта к большей из них.
   Опыт показывает, что наш глаз способен отличать объект от фона, т. е. видеть объект, лишь в том случае, если яркостный контраст между ними не меньше некоторой предельно малой величины. Наименьшее значение контраста, при котором глаз еще отличает объект от фона, называется порогом контрастной чувствительности глаза.
   Порог контрастной чувствительности глаза – величина физиологическая и зависит от индивидуальных особенностей зрения данного наблюдателя. При уменьшении освещенности, например в сумерки или ночью, порог контрастной чувствительности начинает сильно расти и быстро достигает больших значений. Это значит, что если днем мы хорошо отличаем объект от фона, то в сумерки это сделать уже труднее, а ночью – почти невозможно, даже если яркостный контраст остался бы прежним.
   Большую роль для видимости играет острота зрения, т. е. способность глаза различать детали малых угловых размеров. При дневном освещении острота зрения может быть принята равной единице. Это такая острота зрения, при которой глаз может различать раздельно две точки только в том случае, если они рассматриваются под углом, равным одной минуте, т. е. 1. Но и острота зрения не остается постоянной даже у одного человека; так, например, она меняется в зависимости от формы рассматриваемого предмета и с годами.
   Видимая яркость объектов меняется с изменением состояния атмосферы по двум причинам.
   Во-первых, световой поток, идущий от объектов в глаз наблюдателя, ослабляется слоем воздуха в зависимости от толщины слоя и коэффициента прозрачности.
   Во-вторых, освещенный дневным светом слой воздуха, лежащий между объектом и глазом наблюдателя, рассеивает этот свет во всех направлениях, в том числе и по направлению к наблюдателю. Этот рассеянный свет создает явление воздушной дымки, яркость которой накладывается на собственную яркость удаленных объектов. Особенно велика яркость воздушной дымки в направлении на Солнце.
   Яркость воздушной дымки тем больше, чем больше слой воздуха (расстояние до объекта) и чем больше замутненность этого воздуха. Наибольшее ее значение практически равно той яркости, которую глаз наблюдает в горизонтальном направлении (яркость неба у горизонта).
   При постоянном значении метеорологическая дальность видимости зависит только от прозрачности атмосферы.
   Метеорологическая дальность видимости, однозначно связанная с горизонтальной прозрачностью атмосферы, является одной из ее характеристик. На метеорологических станциях определяют либо величину метеорологической дальности видимости и по ее значению находят коэффициент прозрачности (и другие оптические характеристики атмосферы), либо прозрачность атмосферы и по ее значению по специальным формулам находят метеорологическую дальность видимости.
   В сумерки и ночью вследствие резкого уменьшения освещенности и, следовательно, быстрого возрастания порога контрастной чувствительности глаза видимость объектов утрачивается на расстояниях, значительно меньших, чем днем.
   Таким образом, если днем видимость одних и тех же реальных объектов зависит в основном от прозрачности атмосферы, так как для достаточно больших объектов порог контрастной чувствительности глаза практически не меняется, то ночью и в сумерки она зависит главным образом от освещенности (а значит, от величины порога контрастной чувствительности глаза) и в меньшей степени – от прозрачности атмосферы. Поэтому в ночное время несамосветящиеся предметы не могут служить объектами для наблюдений за метеорологической дальностью видимости, так как из-за малой освещенности утрачивается однозначная связь между дальностью видимости этих предметов и прозрачностью воздуха.
   Ночью метеорологическую дальность видимости определяют по точечным источникам света, т. е. по огням, удаленным от наблюдателя на такие большие расстояния, что их угловые размеры становятся меньше порога остроты зрения (1). В этом случае дальность видимости огней определяется не яркостным контрастом, как это было в случае больших несамосветящихся объектов, а освещенностью, которую огни создают на зрачке глаза наблюдателя.
   Минимальная освещенность огнем на зрачке глаза наблюдателя, при которой он еще видит этот огонь, называется порогом световой чувствительности глаза.
   Дальность видимости одиночного огня – это расстояние, на котором он может быть обнаружен хотя бы в виде очень слабой светящейся точки, находящейся на крайнем пределе восприятия. При этом освещенность, создаваемая этим огнем на зрачке наблюдателя, достигает минимального значения.
   Метеорологическая дальность видимости ночью на сети станций определяется инструментально, а также визуально – по дальности видимости огней.
   При оценке горизонтальной видимости предполагается, что средний коэффициент прозрачности для всего слоя воздуха постоянен, т. е. допускается, что прозрачность на протяжении всего этого расстояния остается постоянной.
   Вертикальная видимость – это высота, начиная с которой различаются наземные предметы с идущего на посадку самолета, или высота, с которой обнаруживается самолет с Земли. При наличии облачности вертикальная видимость ограничивается высотой нижней границы облаков. Однако нижняя граница облаков высотой не более 200–250 м почти никогда не бывает четкой и почти никогда не остается постоянной во времени.
   Для определения метеорологической дальности видимости днем подбирают девять темных объектов, удаленных от пункта наблюдения соответственно на расстояние 50, 200, 500 м и 1, 2, 4, 10, 20, 50 км. Допускаются отклонения от указанных стандартных расстояний до 20 %.
   Объекты, как естественные, так и специально сооружаемые, для наблюдений должны отвечать следующим требованиям:
   1) быть возможно более темными;
   2) проектироваться на фоне неба (если объекты проектируются на другом фоне, то они должны иметь четкие контуры, а фон должен быть вдвое дальше от места наблюдений, чем объект);
   3) иметь угловые размеры не менее 15';
   4) быть видимыми с места наблюдений под углом не более 5–6° к плоскости горизонта.
   После выбора объектов должны быть измерены расстояния до них, оценены угловые размеры объектов, составлены их описание и план расположения.
   Производство наблюдений заключается в том, что наблюдатель определяет, какие из объектов, имеющихся на станции, видимы и какие невидимы. Объект считается невидимым только в том случае, если он полностью сливается с фоном и совершенно неотличим от него. Интервал, в котором в момент наблюдений находится величина видимости, определяется по наиболее далекому видимому и по наиболее близкому невидимому объектам.
   Оценка метеорологической дальности видимости (МДВ) проводится в баллах.
   На метеорологических станциях не всегда имеется достаточно подходящих объектов для определения всех десяти баллов МДВ, что позволяет использовать объекты, расположенные более произвольно по удалению и направлению от наблюдателя и по расстоянию. Благодаря этому становится возможным оценить МДВ по ограниченному числу объектов, расположенных относительно пункта наблюдений в любом направлении и на произвольных расстояниях, которые надо выбирать так, чтобы в совокупности обеспечить возможность оценки МДВ по всей десятибалльной шкале. По этому методу определение МДВ производится на основании визуальной качественной оценки видимости наиболее удаленного видимого объекта и степени покрытости его атмосферной дымкой.

1.11. Метеорологические условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы

   Вид атмосферы Земли определяется воздушными массами, которые в различных районах земного шара имеют различные физические параметры.
   Основными характеристиками воздушной массы являются:
   – температура и влажность ее приземного слоя и распределение этих параметров по вертикали (стратификация);
   – степень устойчивости напластования воздушных масс в атмосфере, которое связано с давлением воздуха в рассматриваемой области Земли и скоростью его передвижения;
   – вид, характер и распределение в воздушной массе продуктов конденсации;
   – степень запыленности воздушной массы.
   Главными факторами, влияющими на воздушную массу, являются интенсивность, характер деятельной поверхности, а также направление и интенсивность физических процессов в атмосфере.
   По географическому признаку воздушные массы делятся на арктический, тропический, экваториальный и полярный воздух.
   Арктический воздух характеризуется следующими показателями:
   – низкие температуры по всей толще стратосферы и особенно низкие температуры поверхности Земли, покрытой льдом и снегом;
   – медленное убывание температуры по высоте, что приводит к нижним инверсиям, т. е. к оседанию вышележащих слоев воздуха (это неблагоприятно с точки зрения экологии);
   – устойчивость напластования воздушных масс, что определяет отсутствие вертикальных потоков и ливневых осадков;
   – малая абсолютная влажность и сравнительно низкое содержание пыли;
   – хорошая видимость.
   Тропический воздух (так же как и полярный) делится на два типа: морской и континентальный, которые обладают разными свойствами.
   Морской тропический воздух прогрет до большой высоты (до 2 км). Он обладает следующими свойствами:
   – температура нижнего слоя повышена;
   – в нижних слоях термический градиент невысок (до 1 °C на 1 км), а в верхних слоях происходит быстрое убывание температуры;
   – в нижнем слое имеет место конвекция; ливневые облака и осадки незначительны;
   – большая абсолютная влажность и связанные с ней туманы;
   – слой запылен мельчайшей пылью, занесенной с материка, что определяет пониженную дальность видимости;
   – малый горизонтальный градиент температуры и влажности.
   Континентальный тропический воздух имеет следующие свойства:
   – днем слой имеет высокую температуру, а ночью – низкую; как следствие – возникают нижние инверсии;
   – воздушные массы днем имеют большой вертикальный градиент, а ночью – низкий;
   – большая устойчивость напластования воздушных масс ночью сменяется неустойчивостью напластования днем, результатом чего являются сильная конвекция и повышение скорости ветра;
   – малая абсолютная влажность воздуха, что приводит к осаждению росы и образованию тумана;
   – сильная запыленность в результате образования песчаных и пылевых бурь;
   – низкий уровень видимости;
   – малый горизонтальный градиент температуры и влажности.
   Экваториальным называют воздух, который течет от экватора к более высоким широтам, когда пассаты и муссоны перетекают через экватор в другое полушарие, и который побывал в экваториальной зоне, где и получил свой физический облик (см. характеристики тропического воздуха).
   Полярный воздух характеризуется следующими свойствами:
   – неустойчивое напластование воздушных масс из-за большой влажности воздуха;
   – большой горизонтальный градиент температуры и влажности;
   – помутнение воздуха и понижение уровня видимости;
   – меньшая, по сравнению с тропическим воздухом, активность воздушных масс, различная для морского полярного и континентального полярного воздуха. В теплое время года полярный воздух холоднее континентального полярного воздуха, а в холодное – теплее его.
   Максимальная высота тропического воздуха достигает 18 км, полярного – 9 км, арктического – 6 км.
   Воздушные массы делятся на теплые (устойчивые) и холодные (неустойчивые). Границы воздуха тропосферы Северного полушария летом отдвигаются к северу, а зимой – к югу.
   Воздушные массы определяют следующие типы климатов на Земле: экваториальный, субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренно-широтный, субполярный, арктический и антарктический.
//-- Условия погоды и концентрации примесей в различных областях циклонов и антициклонов --//
   Перенос вредных веществ на большие расстояния (например, из Северного полушария в Южное) из мест наиболее интенсивного антропогенного воздействия на атмосферу происходит с воздушными потоками большого объема. Над земным шаром дуют господствующие ветры на протяжении большей части года. На их скорость и направление оказывают влияние солнечная радиация и вращение Земли. В районах экватора происходит встреча воздушных масс Северного и Южного полушарий, что задерживает распространение вредных примесей из одного полушария в другое. Воздух Северного полушария загрязнен значительнее, чем Южного, особенно короткоживущими загрязнителями со сроком жизни менее одного года. Но на долгоживущих загрязнителях, таких, как СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и суперэкотоксиканты, эта экваториальная задержка почти не сказывается. На незначительные расстояния эти вещества переносятся иначе: выбросы из труб предприятий переносятся со свежим воздухом, что снижает концентрацию кислых газов и пыли. При этом за счет конвекции и турбулентности происходит распространение вредных веществ во всех направлениях (даже против основного потока воздуха).
   Уменьшение концентрации вредных примесей происходит тремя путями:
   – рассеянием (конвективное и турбулентное перемешивание);
   – деградацией (изменение в результате химических и биохимических процессов);
   – иммобилизацией (потеря подвижности загрязняющих веществ при адсорбции и биохимических процессах поглощения и осаждения вредных веществ на почве).
   Основным процессом является связанный с метеорологией процесс рассеяния, вызываемый передвижением над землей крупных масс воздуха, в которых ветер имеет различную скорость.
   Скорости ветра по шкале Бофорта (по 12-балльной системе) изменяются от штиля (v -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0–0,5 м/с) до урагана (v > 29 м/с).
   Ветер обладает также свойством повторяемости, которая определяется в процентах. На основании данных повторяемости ветра для каждой местности определяется роза ветров.
   Движение воздушных масс осуществляется в основном в пограничном слое толщиной 1000–1500 м с приземным подслоем в 50—100 м и в свободной атмосфере. На высоте 50—100 м на движение воздуха влияет трение о действенную поверхность земли; оно зависит от рельефа, а в городах – от их застройки.
   Приподнятые термические инверсии создают неблагоприятные метеорологические условия.
   На концентрацию вредных примесей в каждой местности значительное влияние оказывают циклоны и антициклоны.
   Циклоны характеризуются низким давлением, незначительной массой воздуха и низкой скоростью вращения воздушных масс, а также повышенной влажностью воздуха. С точки зрения экологии циклоны благоприятнее антициклонов. Снижение величины давления воздуха уменьшает темп осаждения вредных веществ на поверхность почвы. Ветер способствует перемешиванию воздушных масс и также благоприятствует экологической ситуации, так как при нем осуществляется интенсивное рассеяние вредных веществ. Наибольшей скоростью ветра характеризуется периферийная (окраинная) часть циклона, и, следовательно, в этой зоне циклона экологическая ситуация наиболее благоприятна.
   Циклоны проходят следующие стадии развития: стадию волны (начальная стадия); стадию молодого циклона; стадию окклюдирования (поднятия) циклона; стадию наибольшего развития; стадию затухания циклона.
   На различных стадиях (и по территории расположения) циклоны имеют различные давление воздуха и скорость ветра и их влияние на экологическую ситуацию различно. Циклоны, как правило, обычно формируются в серии и перемежаются антициклонами. Обычная продолжительность серии циклонов составляет около недели. Направление перемещения серии циклонов ведущим потоком воздушных масс в Северном полушарии – главным образом с запада на восток. Скорость передвижения циклона в среднем равна 30–40 км/ч.
   При прохождении циклона изменяется температура воздуха, увеличиваются облачность и количество осадков. Тыловая часть циклона характеризуется обложными осадками, а в нижней части – моросящими.
   Приближение циклона можно определить по падению давления воздуха и появлению перистых облаков. Затем появляются перисто-слоистые облака, за ними – высокослоистые, разорванно-дождевые, кучево-дождевые.
   Циклон определяется так называемым недостатком воздуха в каком-то районе, а антициклон – его избытком. Антициклоны также имеют различные типы (низкий холодный, подвижный теплый высокий, блокирующий, разрушающий). Антициклоны характеризуются нисходящими потоками воздуха, неблагоприятными с точки зрения экологии. Слои воздуха в антициклонах оседают, что приводит к адиабатическому их нагреванию и инверсии, а следовательно, к попаданию вредных веществ в нижние слои воздуха. Погода при этом малооблачная и сухая, у земной поверхности – штиль. Направление передвижения антициклонов – к низким широтам (к экватору), а срок жизни – 5–7 дней.
   Зная метеорологические данные, а также некоторые внешние признаки (например, тип облаков), можно с достаточной достоверностью составить не только метеорологический, но и экологический прогноз и разработать экологические рекомендации для населения.
   На уровень загрязнения атмосферы влияют следующие условия погоды:
   1. Инверсия. Как отмечалось выше, на экологическую ситуацию отрицательно влияет приподнятая инверсия. Иногда ее называют температурной или термической инверсией, когда массы теплого воздуха распространяются над регионом и препятствуют выносу загрязнителей в атмосферу. Запирающий слой кислых газов и пыли над местностью при этом имеет минимальную высоту.
   2. Циклоны и антициклоны. При циклоне создается благоприятная экологическая ситуация, так как загрязняющие вещества выносятся из зоны их возникновения (из города или промзоны), давление воздуха снижается, создаются благоприятные условия для перемешивания воздушных масс, влажность воздуха достаточно высока, чтобы в атмосфере происходил процесс абсорбции вредных веществ с дальнейшим их удалением из приземного слоя.
   3. Туман, промышленный и фотохимический смог. Эти виды осадков отрицательно воздействуют на окружающую среду. В туманах и облаках образуются ядра конденсации водяных капель, что может привести к выпадению вредных осадков, в частности кислотных дождей. Фотохимический смог создает неблагоприятные условия для жизни человека и является причиной легочных заболеваний. Туманы бывают речные и радиационные. При речном тумане не насыщенный влагой холодный воздух натекает на более теплый воздух над водоемами; температуры этих слоев различны. Туманы наблюдаются чаще всего осенью после ночных заморозков.
   Радиационные туманы образуются в результате радиационного выхолаживания, что приводит к инверсиям и устойчивости нижних слоев воздуха, неблагоприятным с точки зрения экологии. При этом вредные примеси поглощаются капельками воды, не выпадающими на почву; происходит повышение концентрации вредных примесей выше той, которая могла бы быть при ясной погоде. При фотохимическом смоге образуется дымотуман с сернокислотно-сульфатными аэрозолями; на подстилающую поверхность выпадает морось, состоящая из капель слабой серной кислоты.
   4. Штиль. При отсутствии ветра (ν -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0–0,5 м/с) над поверхностью региона создаются условия, способствующие застою воздуха, в результате чего образуются теплые воздушные острова и воздушные купола, препятствующие рассеянию вредных веществ. Запирающий слой кислых газов и пыли при этом снижается над местностью. Это явление происходит при антициклоне в ясную погоду и при высоком давлении воздуха. От высоких источников загрязнения (высоких дымовых труб) дым не поднимается столбом вверх, а с низкими источниками (выхлопные трубы автотранспорта) дело обстоит еще хуже: отходящим газам некуда деться, и это усугубляется низким качеством сжигаемого в автомобилях бензина и дизельного топлива. При этом для экологов важно знать высоту слоя перемешивания воздуха (чем она выше, тем лучше).
   5. Осадки. Дождь и снег могут быть факторами, как очищающими атмосферу, так и загрязняющими окружающую среду. При определенной метеорологической обстановке создаются условия для образования кислотных дождей, что, безусловно, отрицательно сказывается на здоровье человека. Снег является аккумулятором вредных веществ, выпавших на почву в зимнее время (особенно в городах), поэтому его нельзя сбрасывать в ближайшие водоемы, а необходимо вывозить за пределы города на территории специальных свалок.
   6. Видимость в атмосфере. Этот метеофактор определяется наличием в воздухе взвешенных жидких и твердых частиц (капли воды, пыль). Видимость снижается при наличии туманов и смогов, что приводит к снижению качества окружающей среды.
   7. Излучения. Электромагнитные излучения, в которые входит инсоляция, магнитные и радиационные излучения также в той или иной мере зависят от метеоусловий. Солнечная радиация определяет большинство метеорологических явлений и приводит, в частности, к термическим инверсиям; электромагнитные явления, происходящие на Солнце, вызывают магнитные бури; электромагнитные явления в атмосфере вызывают грозы; радиационные явления ионизирующего характера зависят от наличия в атмосфере частиц пыли с высоким уровнем радиации (от перемещения их под действием ветра и выпадения под влиянием метеофакторов зависит экологическая ситуация в регионе). Несколько в стороне от этих явлений стоит такой важный экологический фактор, как шум. Он характерен для крупных городов и, безусловно, является отрицательным экологическим фактором.
   Кроме приведенных выше региональных экологических факторов, с метеорологией связаны и глобальные факторы: озоновые дыры, парниковый эффект и кислотные дожди.
//-- Неблагоприятные метеорологические условия (НМУ) --//
   К НМУ относятся не только обсуждавшиеся выше инверсии, но и штиль, туман и смог.
   Из наблюдений за пульсациями скорости ветра следует, что в инверсионных слоях резко ослабляется турбулентный обмен. В случаях с устойчивой стратификацией при достаточно больших инверсионных градиентах температуры нередко отмечается почти полное исчезновение пульсаций.
   Повышение температуры с высотой приводит к тому, что выбросы из труб не могут подниматься выше определенного уровня, который для мощных тепловых электростанций составляет 200–800 м, а для холодных выбросов из труб небольшого диаметра – 20–40 м.
//-- Загрязнение воздуха больших городов при фотохимическом смоге и дымном тумане --//
   Фотохимическим смогом является смесь первичных и вторичных загрязнителей в нижней тропосфере, которые взаимодействуют друг с другом под влиянием солнечного света. Фотохимический смог характерен для городов с большим количеством солнечных дней, с сухим и теплым климатом и большим количеством автомобилей; проявляется чаще всего летом. Для Москвы он опасен в июле-августе, когда вокруг города горят торфяники.
   Первичные загрязнители – это кислые газы, пыль и углеводороды, вторичные – продукты их взаимодействия, и прежде всего озон, который является главным вторичным загрязнителем (он вызывает раздражение глаз, нарушает работу легких, повреждает деревья и снижает урожай), а также альдегиды, нитраты и окись азота. Пикового уровня количество этих веществ достигает в полдень в солнечный день. Они опасны для людей, страдающих заболеваниями дыхательных путей, особенно работающих на улице в период между одиннадцатью и шестнадцатью часами. В это время вообще не рекомендуется находиться под прямыми лучами солнца (особенно без головного убора).
   Промышленный смог возникает при сжигании на ТЭЦ большого количества серосодержащего угля и мазута. Особенно он проявляется зимой и состоит из смеси диоксидов серы и азота, взвешенных капель серной кислоты и разнообразных твердых частиц. К счастью, в крупных городах перешли на сжигание газообразного топлива, что существенно снизило появление над ними промышленного смога. Кроме того, на крупных топливосжигающих установках имеются очистные устройства (в том числе электрофильтры). Выбросы вредностей от автотранспорта увеличиваются из года в год, так как число автомобилей неуклонно растет.
   На образование фотохимического и промышленного смога над городами существенно влияют процессы инверсий, особенно приподнятой инверсии, когда теплый воздух натекает на расположенный ниже холодный воздух, препятствуя развитию вертикальных движений воздуха. Такая инверсия длится от одного до нескольких часов, а в условиях устойчивого антициклона может сохраняться до нескольких дней.
   Как отмечалось, приподнятая инверсия, зависящая от температуры воздуха и деятельной поверхности Земли, приводит к опусканию более нагретых воздушных масс к менее нагретой почве, и вредные вещества опускаются в нижние слои атмосферы. Это приводит к неблагоприятной экологической ситуации, особенно при отсутствии ветра, когда штилевой слой над городом неподвижен.
   Над некоторыми городами образуются еще так называемые пыльные купола и острова тепла, препятствующие перемешиванию воздуха под действием ветра. Местный рельеф и застройка городов весьма существенно влияют на экологическую ситуацию в них. Ветер приносит свежий воздух в город, но и переносит стабильные загрязнители на большие расстояния. Высокие здания в городе (а также близлежащие холмы и горы) снижают очищающее влияние ветра.
   Солнце нагревает воздух и поверхность земли; теплый воздух расширяется и поднимается вверх, растворяя скапливающиеся выше загрязнители (особенно при повышенной влажности), и уносит их в тропосферу. Одновременно воздух из соседних областей высокого давления опускается вниз и создает области низкого давления, различного в разных областях циклона.
   Внутри города на отдельных улицах и площадях складываются и такие микроклиматические условия, которые зависят от городской застройки, покрытия улиц, расположения зеленых насаждений. Пелена пыли и дыма, особенно это касается узких улиц, снижает до 20 % солнечную радиацию, что приводит к ночному выхолаживанию зданий. Крыши и стены домов нагреваются днем сильнее, чем почва и трава, что повышает среднегодовую температуру города на 1 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

С и выше. Особенно растет разность максимальных температур в городе и в сельской местности. Увеличение плотности городской застройки приводит к росту температуры воздуха в нем. Покрытие улиц и сток воды в канализацию вызывают уменьшение влажности в городе по сравнению с сельской местностью. Поверхность территории города имеет большую «шероховатость»: это усиливает конвекцию и развитие облаков, что, в свою очередь, уменьшает видимость и количество ясных дней.
   Ветер в городе также претерпевает изменения и по силе, и по направлению (он дует вдоль улиц), а на перекрестках возникают пыльные вихри.
   В городах в 2–3 раза чаще наблюдается дымка (видимость – менее 10 км); но повторяемость туманов в городе в 2–3 раза ниже, чем в сельской местности.
   Жидкие осадки опасны в том случае, если они загрязнены (в том числе кислотами). Снижение показателя рН до 4,0–4,2 в 30–40 раз повышает кислотность дождя, что приводит к резко отрицательным экологическим последствиям. Особенно часто кислотные дожди проходят над промышленными зонами угольной и нефтяной энергетики и над близлежащей местностью. Ядра конденсации в атмосфере обводняются; причем чем выше влажность воздуха, тем меньше в нем ядер конденсации. Условия существования и роста капель определяются как относительной влажностью воздуха, так и температурой. Для возникновения тумана в городе температура воздуха в окрестностях должна упасть ниже точки росы.
   Твердыми осадками являются иней, снег и гололед; все они могут содержать вредные вещества. При этом снег собирает эти вещества в течение зимы, и его необходимо удалять из города во избежание перегрузки почвы вредными веществами, которая происходит весной после таяния снега.
   Таким образом, тесная связь экологической обстановки с метеорологическими явлениями является бесспорной; экологическую ситуацию, так же как и метеообстановку, можно прогнозировать. Для учета метеорологических условий, складывающихся в результате распространения выбросов из труб, пользуются шестью классами устойчивости атмосферного воздуха: 1-й, 2-й и 3-й классы относятся соответственно к сильной, умеренной и слабой неустойчивости, 4-й класс относится к равновесному (или безразличному) состоянию, а 5-й и 6-й – к умеренной и сильной устойчивости. Каждому классу соответствуют определенные значения скорости ветра, инсоляции и времени суток.
   Знание законов метеорологии, наряду со знанием химических, физических и биологических процессов, позволяет углубить экологическую подготовку будущих специалистов-экологов.
//-- Контрольные вопросы --//
   1. Что изучает метеорология?
   2. Охарактеризуйте основные метеорологические величины и атмосферные явления.
   3. Опишите устройство и размещение приборов и оборудования на метеорологической площадке.
   4. Каков состав воздуха нижних и верхних слоев и основные виды загрязнения нижних слоев атмосферы?
   5. Составьте радиационный баланс деятельной поверхности Земли.
   6. Охарактеризуйте процесс нагревания почвы и водоемов и оцените их тепловое загрязнение.
   7. Опишите процессы нагревания и охлаждения почвы.
   8. Охарактеризуйте процессы инверсии приземного слоя.
   9. Опишите устройство термометров для измерения температуры почвы и воздуха.
   10. Охарактеризуйте процессы образования водяного пара в атмосфере; приведите принцип работы гигрометра.
   11. Приведите классификацию видов осадков, выпадающих из облаков.
   12. Приведите уравнение состояния воздуха; опишите конструкцию барометра-анероида.
   13. Оцените влияние параметров ветра на экологическую ситуацию.
   14. Приведите классификацию облаков.
   15. Что такое метеорологическая дальность видимости?
   16. Какие экологические условия влияют на уровень загрязнения атмосферы?

Глава 2
Почвоведение

2.1. Образование почв и факторы почвообразования

   Почвоведение – это наука о почвах, их происхождении, строении, распространении, их роли в биосфере Земли, формировании свойств и режимов, которые характеризуют главное свойство почв – плодородие. С точки зрения экологии в настоящее время одним из основных свойств почв становится их безопасность для жизни человека. Почва покрывает материки Земли пластом толщиной в несколько метров. С почвой связано все живое на Земле: растения, животные, микроорганизмы.
   Основоположником научного почвоведения является русский ученый В.В. Докучаев, который дал определение понятия почвы как результата взаимодействия горных пород, климата, растительных и животных организмов, рельефа и возраста того или иного региона нашей планеты. Создавая науку о почве, В.В. Докучаев особое внимание уделял ее практическому использованию. Главное внимание ученого привлекали вопросы повышения эффективности отечественного сельского хозяйства путем правильного использования почв и повышения их плодородия.
   Выдающимся русским почвоведом был и П.А. Костычев. Будучи основоположником агропочвоведения, он видел основную задачу почвоведения в изучении свойств почв по отношению к растениям, а все приемы агротехники связывал со свойствами почв. П.А. Костычев и В.Р. Вильямс показали, что плодородие почвы должно определяться не только химическими, но и физическими и биологическими методами; они внесли много нового в изучение проблемы гумуса и почвенной структуры.
   Современный период характеризуется интенсификацией исследований в области изучения и охраны почвенного покрова мира, проводимых под эгидой международных организаций ООН, ЮНЕСКО и др. В почвоведении выделились и развиваются самостоятельные разделы и направления: физика почв, химия почв, биология почв, минералогия, география почв; интенсивно развивается сельскохозяйственное почвоведение. В Амстердаме создан Международный почвенный музей с коллекцией эталонов почв мира. В системе ООН разработаны карта деградации почв Земли и методы их оценки и картирования; определены проблемы опустынивания; проведена классификация почв мира; сформулированы социально-экономические аспекты потерь почв и разработан ряд проектов оказания помощи развивающимся странам в охране и рациональном использовании почв.
   В настоящее время в научном почвоведении на первый план должна выдвигаться экологическая сторона – пригодность почв для обеспечения безопасности и нормальной жизнедеятельности человека.
   Почва – это природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Специфическим свойством почвы, отличающим ее от литосферы, является плодородие. Плодородие – это способность почвы удовлетворять потребность растений в воде и питательных веществах, обеспечивать их корневую систему достаточным количеством воздуха и тепла для поддержания нормальной жизнедеятельности и получения урожая. Различают естественное плодородие почвы, которое создается под влиянием естественных факторов почвообразования, и искусственное плодородие, приобретенное в процессе обработки, удобрения и мелиорации, т. е. в результате производственной деятельности человека. Критериями эффективного плодородия почвы служат количество и качество получаемого урожая.
   Процессы развития почв и почвенного покрова, как и процесс формирования их плодородия, связаны с природными факторами почвообразования, а также с многообразной деятельностью человеческого общества, с развитием его производительных сил, экологических, экономических и социальных условий. Особая роль в почвообразовании принадлежит живым организмам. В процессе их жизнедеятельности в верхнем слое горной породы образуются органические и органно-минеральные вещества, что создает условия для удержания влаги, повышения газообмена с атмосферой, поглощения лучистой энергии Солнца и др.
   В масштабах земного шара географические закономерности почвообразования на отдельных его материках связаны с зональными изменениями климата и растительности в широтном направлении (север—юг). Различия в почвенном покрове небольших территорий обусловлены влиянием рельефа (возвышенности, долины и др.), состава и свойств пород на растительность и почвообразующие процессы.
   Используя почву как средство производства, человек существенно изменяет условия почвообразования, влияя как непосредственно на ее свойства, режим и плодородие, так и на природные факторы, определяющие почвообразование. Посадка и вырубка лесов, возделывание сельскохозяйственных культур изменяют облик естественной растительности; осушение и орошение меняют режим увлажнения. Не менее резкие воздействия на почву вызывают приемы ее обработки, применение удобрений и средств химической мелиорации (известкование, гипсование). Следовательно, почва является не только предметом приложения труда, но, в известной степени, и продуктом этого труда. Это непосредственно влияет на экологическую ситуацию на Земле.
//-- Факторы почвообразования --//
   Процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов называется выветриванием.
   Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.
   Физическое выветривание – это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.
   Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60–70 °C, а ночью охлаждается почти до 0 °C.
   Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород: замерзая, вода расширяется на 10 % своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.
   Химическое выветривание – это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.
   Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода является активным растворителем горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает ее разрушающее действие.
   Основная химическая реакция воды с минералами (гидролиз) приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода молекул воды.
   С фактором воды связана также гидратация – химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что, в свою очередь, усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.
   Реакция присоединения кислорода и образования оксидов (кислотных, основных, амфотерных, солеобразующих) называется окислением. Окислительные процессы широко распространены при выветривании минералов, содержащих соли металлов, особенно железа.
   В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает такие свойства, как связность, влагоемкость, способность к поглощению воздуха и воды.
   Биологическое выветривание – это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.
   При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты, которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.
   Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и другие кислоты, так и механически, проникая внутрь минералов и трещин горных пород.
   Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.
   Разные породы и минералы имеют неодинаковую устойчивость к выветриванию. Более легко выветриванию подвергаются пористые породы с высоким содержанием минералов, такие, как вулканические пеплы и слюды. Минералы с плотной структурой (кварциты, граниты и др.) устойчивы к выветриванию. Промежуточное положение занимают полевые шпаты.
   Интенсивность выветривания зависит также от климатических условий, главным образом от температуры и количества осадков. В условиях засушливого климата продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата – вымываются.
   Развитие почвы из горной породы совершается под влиянием одновременно протекающих на земной поверхности процессов выветривания и почвообразования.
   При выветривании горная порода из сплошной превращается в рыхлую породу, представляющую собой пористое тело, обладающее большой проницаемостью и незначительной влагоемкостью. Выделяющиеся в процессе выветривания растворимые соединения элементов минерального питания растений уносятся вместе с атмосферными осадками в реки и моря. Конечный продукт выветривания (так называемая почвообразующая, или материнская, порода) не обладает большой и устойчивой влагоемкостью, элементы зольной пищи растений из нее совершенно вымыты; кроме того, там нет азота.
//-- Процесс почвообразования --//
   Процесс почвообразования – это биологический процесс, возникающий и развивающийся только под воздействием живых организмов, главным образом высших растений и микроорганизмов.
   Корни поселившихся в горной породе растений, проникая на значительную глубину и охватывая большой объем, извлекают из нее рассеянные элементы зольного питания (фосфор, серу, кальций, магний, калий и др.) и азот, появление которого в породе вызвано результатом жизнедеятельности микроорганизмов. Используя углекислоту воздуха, воду, зольные элементы, азот и лучистую энергию Солнца, растения синтезируют органическое вещество. Остатки отмерших растений, содержащие зольные элементы, откладываются на поверхности породы и в ее верхнем слое. Они служат источником пищи и энергии для микроорганизмов.
   В процессе микробного разложения одна часть органических остатков превращается в новые органические вещества – гумусовые, которые медленно разрушаются микроорганизмами, накапливаясь в верхнем слое породы; другая часть органических остатков минерализуется, освобождая элементы азотного и зольного питания. Последние переходят в раствор, образуя новые, менее подвижные соединения с минеральной частью породы и гумусовыми веществами, и поглощаются корнями новых поколений растений.
   Таким образом, в результате почвообразовательного процесса рассеянные в породе зольные элементы, а также азот под воздействием высших растений и микроорганизмов концентрируются, проходят ряд биохимических превращений и в новой, менее подвижной форме накапливаются в верхнем слое породы. Между растениями и горными породами, превращающимися в почвы, возникает круговорот зольных элементов и азота, вследствие которого в верхнем слое породы происходит постепенное накопление одного из факторов почвенного плодородия – элементов минерального питания.
   В процессе почвообразования верхние слои породы обогащаются не только минеральными веществами, но и органическими, богатыми химической энергией, которая представляет собой превращенную в процессе фотосинтеза лучистую энергию Солнца. При разложении органических веществ отмерших растений химическая энергия расходуется на развитие процессов, которые не могли бы возникнуть без органического вещества в горной породе. Однообразная вначале минеральная масса горной породы постепенно приобретает новый состав, строение, водно-воздушные, тепловые и другие физические свойства и обособляется в особое природное тело – почву.
   Превращению горной породы в почву способствуют следующие основные процессы:
   1) выветривание горной породы и минералов, приводящее к образованию новых минералов и освобождению в доступной форме элементов зольного питания растений;
   2) извлечение из материнской горной породы (а в дальнейшем – из почвы) элементов питания;
   3) синтез и накопление в верхних слоях породы остатков растений и животных, минерализация и превращение их в гумусовые вещества, сопровождающиеся освобождением и аккумуляцией элементов зольного и азотного питания;
   4) взаимодействие минеральных и органических веществ, образование органоминеральных соединений разной степени подвижности;
   5) перемещение и осаждение минеральных, органических и органоминеральных продуктов почвообразования в почвенной толще.
   Одновременно с развитием почвы растет ее плодородие, т. е. способность обеспечивать растения пищей, водой, воздухом и другими необходимыми условиями. Количество питательных веществ, доступных корням растений, постепенно увеличивается за счет включения в биологический круговорот зольных элементов, освобождающихся при выветривании минералов, и азота атмосферы. По мере накопления гумуса в форме различных его соединений с минеральной частью почвы возрастает способность почвы поглощать минеральные вещества и удерживать их от вымывания. Одновременно с этим изменяются физические свойства почвы: увеличиваются рыхлость, воздухо– и водопроницаемость, влагоемкость.
   Почвообразовательный процесс протекает непрерывно, вследствие чего также непрерывно изменяются состав и свойства почвы. Этот процесс слагается из различных и противоположно направленных явлений: синтеза и разрушения органических соединений, синтеза и разрушения минералов, аккумуляции органических и минеральных веществ, их вымывания и т. д.
   К пяти факторам почвообразования, установленным В.В. Докучаевым – почвообразующим породам, растительным и животным организмам, климату, рельефу и времени, – позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека. С учетом этих добавлений определение почвы можно выразить в виде следующей формулы, показывающей функциональную зависимость почвы от почвообразующих факторов во времени:

   где: f – обозначение функции; П – почва; П.П. – почвообразующие породы; Р.О. – растительные организмы; Ж.О. – животные организмы; Э.К. – элементы климата; Р. – рельеф; В. – воды; Д.Ч. – деятельность человека; t – время.
   Рассмотрим подробнее каждый из этих факторов.
   Почвообразующие породы (П.П.). Так называют поверхностные горизонты горных пород, из которых возникают почвы. В состав почв входят минеральные и органические вещества. Минеральная часть почвы составляет 80–90 % и более от общей массы почвы, и лишь в торфяниках содержание ее снижается до 1—10 %. Качество почв, уровень их потенциального плодородия и агрономическая ценность во многом зависят от физических и химических особенностей материнской породы.
   По своему происхождению слагающие земную кору горные породы подразделяются на магматические, метаморфические и осадочные.
   Магматические породы образуются при остывании расплавленных силикатных масс – магм в глубоких слоях земной коры или вытекших в виде лавы на земную поверхность (гранит, сиенит, базальт и др.).
   Метаморфические породы формируются из осадочных и магматических пород в глубоких слоях земной коры под воздействием высокой температуры и большого давления (гнейс, глинистый сланец, мрамор и др.).
   Магматические и метаморфические породы скрыты толщей осадочных пород, на которых в основном развиваются современные почвы; на поверхность они выходят сравнительно редко.
   Осадочные породы образуются из магматических и метаморфических пород в результате длительных процессов их разрушения и неоднократного перемещения продуктов выветривания (пески, глины и др.) водой, льдом, ветром, а также из отложений остатков различных организмов (известняки и др.).
   Продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте своего образования, называются элювием (элювиальными отложениями). В качестве почвообразующих чаще всего служат элювиальные образования коренных пород: известняков, мергелей, глин, песчаников и др. Породы этой группы отличаются значительной уплотненностью, большим разнообразием минералогического и химического состава, нередко содержат простые соли и органические вещества.
   Делювий (делювиальные отложения) – отложения, возникающие в результате накопления смытых со склонов дождевыми и талыми водами рыхлых продуктов выветривания. Делювиальные породы отличаются слоистостью.
   Аллювий (аллювиальные отложения) представляет собой осадки, отложенные при разливе рек (пойменный аллювий), и донные отложения рек (русловый аллювий).
   Озерные отложения распространены на низменных равнинах, где часто образуются застойные бассейны паводковых вод. Они отличаются глинистостью и слоистостью.
   Ледниковые, или моренные, отложения – продукты выветривания различных пород, перемещенные и отложенные ледником. Для морен характерны несортированность. неоднородный механический состав, наличие валунов, обогащенность песчаными фракциями, красно-бурая (реже – желто-бурая) окраска.
   Ледниковые отложения связаны с деятельностью текучих вод ледника. Вытекая из-под ледника, они перемещают моренный материал и переоткладывают его за краем ледника. Эти отложения обычно хорошо сортированы, отличаются слоистостью, не содержат валунов, бескарбонатные, преимущественно песчаные и песчано-галечниковые.
   Покровные суглинки чаще всего встречаются в зоне ледниковых отложений и рассматриваются как отложения мелководных приледниковых разливов талых вод. Для них характерно покровное залегание на морене. На покровных суглинках развиты подзолистые и дерново-подзолистые почвы, испытывающие нередко переувлажнение, а также серые лесные почвы.
   Лёссы и лёссовидные суглинки имеют различное происхождение. Их общими чертами являются палевая или буровато-палевая окраска, карбонатность, пылевато-суглинистый механический состав с преобладанием крупнопылеватой фракции, мучнистость, пористость, рыхлое сложение, хорошая водопроницаемость.
   По химическим и водно-физическим свойствам эти породы более всего подходят для развития растений. При благоприятных климатических условиях на них формируются высокопродуктивные черноземные почвы, а также развивается ряд других почв – сероземы, каштановые, серые лесные.
   Эоловые отложения образуются под влиянием ветра. В засушливых и пустынных районах к ним относятся бугристые и барханные пески, а в зоне умеренного климата – дюны на берегах морей и в долинах рек.
   Морские отложения формируются в результате перемещения береговой линии морей. Как правило, они хорошо сортированы, отличаются слоистостью и всегда засолены.
   Свойства и состав материнских пород влияют на состав и продуктивность поселяющейся на них растительности, на скорость разложения органических остатков, качество гумуса, на характер взаимодействия органических веществ с минералами, а также на другие процессы почвообразования.
   Растительные организмы (Р.О.). Эти организмы – единственный первоисточник органических веществ в почве. Основной функцией их как почвообразователей является синтез биомассы за счет углекислого газа атмосферы, солнечной энергии, воды и минеральных соединений, поступающих из почвы. Биомасса растений в виде корневых остатков и наземного опада (в основном – опавших листьев) возвращается в почву. Характер участия зеленых растений в почвообразовании различен и зависит от типа растительности и интенсивности биологического круговорота.
   Все живые организмы на Земле образуют биологические сообщества и биологические формации, с которыми неразрывно связаны процессы образования и развития почв.
   В почвоведении приняты следующие основные группы растительных формаций:
   1) деревянистая растительная формация: таежные леса, широколиственные леса, влажные субтропические леса и ливневые тропические леса;
   2) переходная деревянисто-травянистая растительная формация: леса, саванны;
   3) травянистая растительная формация: суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические кустарниковые степи;
   4) пустынная растительная формация: растительность субтропического и тропического почвенно-климатических поясов;
   5) лишайниково-моховая растительная формация: тундра, верховые болота.
   Для каждой группы растительных формаций, а внутри группы – для каждой формации характерен определенный биологический цикл превращения веществ в почве. Он зависит от количества и состава органического вещества, а также от особенностей взаимодействия продуктов распада с минеральной частью почвы. Поэтому различия в растительности являются главной причиной почвенного многообразия в природе.
   Лесная растительность – это многолетняя растительность, поэтому ее остатки поступают в основном на поверхность почвы в виде наземного опада, из которого формируется лесная подстилка. Водорастворимые продукты разложения поступают в минеральную часть почвы. Особенностями биологического круговорота в лесу являются длительная консервация значительного количества азота и зольных элементов питания растений в многолетней биомассе и выключение их из ежегодного биологического круговорота.
   Травянистая растительность образует в почве густую сеть тонких корней, переплетающих всю верхнюю часть почвенного профиля, биомасса которых обычно превышает биомассу наземной части. Поскольку наземная часть травянистой растительности повреждается человеком и поедается животными, то основным источником органического вещества в почве под травянистой растительностью являются корни. Корневые системы и продукты их гумификации создают структуру верхней корнеобитаемой части профиля, в которой постепенно формируется гумусовый горизонт, богатый элементами питания. Интенсивность процессов определяется природными условиями, так как в зависимости от типа травянистых формаций количество образующейся биомассы и интенсивность биологического круговорота различны. Поэтому в разных природных условиях под травянистой растительностью образуются различные почвы.
   Мохово-лишайниковая растительность характеризуется тем, что при большой влагоемкости имеет малую активность в биологическом круговороте. Это является причиной консервации отмирающих растительных остатков, которые при достаточной и избыточной влажности превращаются в торф, а при постоянном иссушении легко развеваются ветром.
   Роль микроорганизмов в почвообразовании не менее значительна, чем роль растений. Несмотря на малые размеры, они в силу своей многочисленности имеют огромную суммарную поверхность и потому активно соприкасаются с почвой. Вследствие кратковременности жизненного цикла и высокой размножаемости микроорганизмы сравнительно быстро обогащают почву значительным количеством органического вещества. Эта биомасса, богатая протеинами, содержащая много азота, фосфора, калия, имеет большое значение для почвообразования и формирования плодородия почвы.
   Микроорганизмы являются тем активным фактором, с деятельностью которого связаны процессы разложения органических веществ и превращения их в почвенный перегной. Микроорганизмы осуществляют фиксацию (захват) атмосферного азота. Они выделяют ферменты, витамины и другие биологические вещества. От деятельности микроорганизмов зависит поступление в почвенный раствор элементов питания растений, а следовательно, плодородие почвы.
   Наиболее распространенным видом микроорганизмов почв являются бактерии. Их количество колеблется от нескольких сотен тысяч до миллиардов в 1 г почвы. В зависимости от способа питания бактерии подразделяют на гетеротрофные и автотрофные.
   По типу дыхания бактерии делят на аэробные, развивающиеся при наличии молекулярного кислорода, и анаэробные, не требующие для своей эволюции свободного кислорода.
   Подавляющее большинство бактерий лучше всего развивается при нейтральной реакции среды. В кислой среде они малодеятельны.
   Плесневидные бактерии содержатся в почвах в меньших количествах, чем другие бактерии; однако они очень разнообразны, и им принадлежит важная роль в почвообразовательном процессе. Эти грибы разлагают клетчатку и перегнойные вещества почвы, участвуют в образовании гумуса; они лучше развиваются в почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией, богатых органическим веществом и хорошо обрабатываемых.
   Грибы-сапрофиты встречаются во всех почвах. Имея ветвящийся мицелий, грибы густо переплетают органические остатки в почве. В аэробных условиях они разлагают клетчатку, лигнин, жиры, белки и другие органические соединения. Грибы участвуют в минерализации гумуса почвы.
   В симбиозе с растениями грибы получают от растения углеродное питание, а сами обеспечивает растение азотом, образующимся при разложении азотсодержащих органических соединений почвы.
   Водоросли распространены во всех почвах, главным образом – в поверхностном слое. Содержат в своих клетках хлорофилл, благодаря которому способны усваивать углекислый газ и выделять кислород.
   Водоросли активно участвуют в процессах выветривания пород и в первичном процессе почвообразования.
   Лишайники в природе обычно развиваются на бедных почвах, каменистых субстратах, в сосновых борах, тундре и пустыне. Лишайник представляет собой симбиоз гриба и водоросли. Водоросль лишайника синтезирует органическое вещество, которое использует гриб, а гриб обеспечивает водоросли водой и растворенными в ней минеральными веществами. Лишайники разрушают породу биохимически – путем растворения минералов – и механически – тело лишайника прочно срастается с поверхностью.
   С момента поселения лишайников на горных породах начинается более интенсивное биологическое выветривание и первичное почвообразование.
   На характер микробных биоценозов влияют условия водного, воздушного и теплового режимов почв, реакция среды (кислотная или щелочная), состав органических остатков и др. Так, с увеличением влажности почвы и ухудшением аэрации усиливается деятельность анаэробных микроорганизмов, с увеличением кислотности почвенного раствора угнетаются бактерии и активизируются грибы.
   Все группы микроорганизмов реагируют на изменение внешних условий, поэтому в течение года их деятельность далеко не равнозначна. При очень высоких и низких температурах воздуха биологическая деятельность в почвах замирает.
   Регулируя условия жизнедеятельности микроорганизмов, можно существенно влиять на плодородие почвы. Обеспечивая рыхление пахотного слоя и оптимальные условия увлажнения, нейтрализуя кислотность почв, можно достичь благоприятного развития нитрификации и накопления азота, других элементов питания и в целом создать благоприятные условия для развития растений.
   Животные организмы (Ж.О.). Почвенная фауна довольно многочисленна и разнообразна, она представлена беспозвоночными и позвоночными животными.
   Наиболее активные почвообразователи из числа беспозвоночных – дождевые черви (в экологии – редуценты).
   Дождевые черви распространены практически повсеместно как в окультуренных, так и в целинных почвах. Их количество колеблется от сотен тысяч до нескольких миллионов на 1 га. Перемещаясь внутри почвы и питаясь растительными остатками, дождевые черви активно участвуют в переработке и разложении органических остатков, пропуская через себя огромную массу почвы в процессе пищеварения.
   На поливных окультуренных сероземах черви выбрасывают ежегодно на поверхность площадью 1 га до 123 т переработанной почвы в виде экскрементов, которые представляют собой хорошо выраженные комочки, обогащенные бактериями, органическим веществом и углекислым кальцием. Выбросы дождевых червей на дерново-подзолистой почве обладают нейтральной реакцией, содержат на 20 % больше перегноя и поглощенного кальция. Дождевые черви улучшают физические свойства почв, делают их более рыхлыми, воздухо– и водопроницаемыми, тем самым способствуя повышению их плодородия.
   Насекомые – муравьи, термиты, шмели, осы, жуки и их личинки – также участвуют в процессе почвообразования. Проделывая в почве многочисленные ходы, они разрыхляют почву и улучшают ее водно-физические свойства. Кроме того, питаясь растительными остатками, они перемешивают их с почвой, а отмирая, сами служат источником обогащения почвы органическими веществами.
   Позвоночные животные – ящерицы, змеи, сурки, мыши, суслики, кроты – осуществляют огромную работу по перемешиванию почвы. Проделывая в толще почвы норы, они выбрасывают на поверхность большое количество земли. Образовавшиеся ходы засыпаются массой почвы или породы и на почвенном профиле имеют округлую форму, выделяющуюся по окраске и степени уплотненности. В степных районах землероющие животные настолько сильно перемешивают верхние и нижние горизонты, что на поверхности образуется бугорковый микрорельеф, а почва характеризуется как перерытый чернозем, перерытая каштановая почва или перерытый серозем.
   Элементы климата (Э.К.). Климат оказывает прямое и косвенное влияние на процесс почвообразования. Прямое влияние заключается в непосредственном воздействии на почву таких факторов климата, как тепло, свет, осадки. Косвенное влияние проявляется через воздействие климата на растительный и животный мир.
   Климат – важный фактор развития биологических и биохимических процессов. Определенное сочетание температурных условий и увлажнения обусловливает тип растительности, темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны.
   Состояние атмосферы, преломляясь через свойства и состав почвы, оказывает большое влияние на водно-воздушный, температурный и окислительно-восстановительный режимы почвы.
   С климатическими условиями тесно связаны процессы превращения минеральных соединений в почве (направление и темп выветривания, аккумуляция продуктов почвообразования и др.), а также процессы ветровой и водной эрозии почв.
   Главным источником энергии для биологических и почвенных процессов является солнечная радиация, а основным источником увлажнения – атмосферные осадки. Солнечная радиация, поглощаясь земной поверхностью, постепенно излучается и нагревает атмосферу. Влага осадков поглощается растениями и возвращается в атмосферу путем физического испарения. Таким образом, устанавливается постоянный тепло– и влагообмен между почвой и атмосферой. В процессе этого обмена формируется гидротермический режим почвы, который является важнейшим ее свойством. Поэтому большой интерес представляет характеристика климатов по температурным условиям и увлажнению.
   Основой для выделения главных термических групп климатов служит сумма средних суточных температур воздуха выше 10 °C за вегетационный период:

Климаты названных термических групп располагаются в виде широтных поясов, окружающих земной шар. Они характеризуются не только температурными условиями, но и определенными типами растительности и почв, изменяющихся в широких пределах в зависимости от увлажнения, и называются почвенно-биотермическими поясами.
По условиям увлажнения различают шесть главных групп климатов:

   Критерием для такого деления является коэффициент увлажнения – отношение количества осадков к испаряемости.
   Кроме приведенных выше климатических факторов, на характер почвообразовательного процесса существенное влияние оказывают распределение осадков по времени года, суровость зимы, выражающаяся в степени континентальности климата.
   Рельеф (Р.). Рельеф определяется характером чередования повышенных и пониженных участков почвы.
   Он оказывает существенное влияние на климатические условия, жизнь растений, животных, микроорганизмов, характер образования и разложения органических веществ, на почвообразовательный процесс в целом.
   Рельеф становится главным фактором перераспределения солнечной радиации и осадков в зависимости от экспозиции и крутизны склонов; он оказывает существенное влияние на водный, тепловой, питательный, окислительно-восстановительный и солевой режимы почвы.
   Горный рельеф обусловливает формирование вертикальных климатических и растительных зон.
   Рельеф влияет на эрозионные (разрушительные) процессы. В условиях склоновых форм рельефа возможно проявление водной эрозии, т. е. смыва и размыва почвы. Равнинные формы рельефа в районах с засушливым и континентальным климатом благоприятствуют возникновению ветровой эрозии.
   Разнообразие форм рельефа на сельскохозяйственных угодьях определяет неоднородность почвенных условий возделывания растений, что необходимо учитывать в производственной деятельности.
   Вода (В.). Вода влияет на почвообразование самым значительным образом. Как упоминалось выше, она принимает участие в физическом выветривании; при замерзании вода, как никакой другой минерал (вода – это минерал), расширяется, раздвигает стенки трещин в материнских породах и разрушает их. Кроме этих микропроцессов, на поверхности Земли происходят и макропроцессы почвообразования, связанные с водой, в частности вынос огромного количества песка и плодородных слоев почвы в устья рек и моря. Различные регионы Земли характеризуются своим коэффициентом увлажнения, от которого зависит темп почвообразования.
   Деятельность человека (Д.Ч.). Используя почву как средство производства, человек в процессе своей хозяйственной деятельности существенным образом меняет условия почвообразования, влияя как непосредственно на свойства почвы, ее режим и плодородие, так и на природные факторы, определяющие почвообразовательный процесс. Посадка и вырубка лесов, возделывание сельскохозяйственных культур изменяют облик естественной растительности; осушение и орошение меняют режим увлажнения. Сильное воздействие на почву оказывают приемы ее обработки, применение удобрений и средств химической мелиорации (известкование, гипсование).
   Сознательное, направленное воздействие на почву способствует изменению ее свойств более быстрыми темпами, чем это происходит под влиянием природных факторов. Систематические мероприятия по повышению плодородия почвы с учетом ее генетических свойств и требований возделываемых культур приводят к окультуриванию почвы, в результате формируются типы почв с более высоким уровнем эффективного и потенциального плодородия. Наоборот, нарушение научно обоснованных рекомендаций применения того или иного приема не только не дает необходимого эффекта, но и приводит к ухудшению почвы – заболачиванию, вторичному засолению, загрязнению и т. д.
   Фактор времени (t). Этот фактор имеет огромное значение в формировании и развитии почв. Различают абсолютный и относительный возраст почв.
   Абсолютный возраст почв исчисляется от начала формирования почвы до настоящего времени. Он колеблется от нескольких лет до миллионов лет. Для большей части территории нашей страны возраст почв определяется тысячелетиями и десятками тысяч лет. Наибольший возраст имеют почвы тропических территорий, не претерпевшие разрушений (в частности, эрозии).
   Относительный возраст почв характеризует скорость почвообразовательного процесса, быстроту смены одной стадии их развития другой. Он связан с влиянием состава и свойств пород, форм рельефа на скорость и направление почвообразовательного процесса.

2.2. Морфология почв

   В результате почвообразовательного процесса почва приобретает ряд внешних признаков, которыми она отличается от материнской породы: строение почвенного профиля, мощность почвы и отдельных ее горизонтов, окраска, гранулометрический состав, структура, сложение, новообразования и включения. По этим признакам можно отличить одну почву от другой, определить, какой почвообразовательный процесс в ней происходит, и судить о плодородии почвы.
   Строение почвенного профиля – это сочетание почвенных горизонтов, связанных общностью своего происхождения. Почвенный профиль состоит из горизонтов почвы, на которые расчленяется почвообразующая порода в процессе почвообразования.
   Хотя морфологические признаки и доступны для непосредственного наблюдения, одних визуальных наблюдений часто бывает недостаточно; для точного определения морфологических признаков используются как простые приспособления (например, лента с сантиметровыми делениями для определения мощности почвы), так и достаточно сложные приборы (например, поляризационные микроскопы, применяемые для изучения микроскопических морфологических признаков).
   Морфологические признаки почвы являются результатом процессов ее формирования и, естественно, отражают ее химические и физические свойства.
   Почвенные горизонты – важнейшие элементы строения профиля, по которым можно определить тип почвы и другие ее характеристики. Горизонты каждого типа почвы различаются по мощности, окраске, структуре и другим признакам.
   В почвоведении выделяют следующие генетические горизонты:
   А – гумусовый – поверхностный горизонт аккумуляции гумуса и элементов питания, в котором не выражены процессы разрушения и выщелачивания минеральных веществ;
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– гумусово-элювиальный – верхний горизонт, в котором есть признаки разрушения и выщелачивания минеральных веществ (горизонт А имеет наиболее темную окраску и наибольшее содержание гумуса);
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– пахотный – верхний горизонт пахотных почв, преобразованный в результате обработки гумусового и части нижележащего горизонта;
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– элювиальный – горизонт интенсивного разрушения минеральной части почвы и вымывания продуктов разрушения. Он располагается под гумусовым горизонтом и имеет светлую окраску (белесую, палевую); по происхождению может быть подзолистым в подзолистых и дерново-подзолистых почвах;
   В – иллювиальный – горизонт, который формируется под элювиальным или гумусовым горизонтом. В этот горизонт вмываются из вышележащего горизонта А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

продукты разрушения. В зависимости от вмытых веществ различают следующие виды иллювиального горизонта:
   B -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– иллювиально-гумусовый – горизонт буровато-темного или кофейного цвета, что обусловлено содержанием железисто-гумусовых веществ;
   B -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– иллювиально-железистый – горизонт вмывания железистых веществ, придающих ему охристую или коричневую окраску;
   В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– иллювиально-карбонатный – горизонт, часто содержащий рыхлые скопления карбонатов кальция белой окраски. В черноземных и каштановых почвах не проявляется вертикальное перемещение веществ, поэтому горизонт В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

называется переходным; по интенсивности темной окраски и сложению он подразделяется на подгоризонты В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

;
   G – глеевый – горизонт, образующийся в условиях постоянного избыточного увлажнения в болотных почвах. Он имеет сизоватую или голубоватую окраску, обусловленную присутствием закисных соединений железа;
   С – материнская порода, которая представляет собой породу, не измененную почвообразовательным процессом;
   D – подстилающая порода; она выделяется в случаях, когда почвенные горизонты сформировались на одной породе, а ее подстилает порода с другими свойствами.
   В болотных почвах выделяют слои торфа, состоящие из массы полуразложившихся растений: Т -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– торфяной неразложенный; Т -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– торфяной среднеразложенный; Т -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– торфяной разложенный; Т -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– торфяной минерализованный.
   Каждый тип почвы имеет свое сочетание горизонтов.
   Генетические горизонты обособляются постепенно в процессе формирования почвы, но даже в окончательно сформированных почвах горизонты не имеют резкой границы и постепенно переходят один в другой. Этим они отличаются от осадочных слоев, отделяющихся друг от друга четкой границей.
//-- Генетические горизонты почвенного профиля --//
   В различных типах почв генетические горизонты будут существенно отличаться, однако в самом первом приближении можно выделить следующие два типа строения почвенного профиля.
   Первый тип строения почвенного профиля характерен для автоморфных почв, формирование которых происходит в условиях хорошо дренируемых водоразделов (дренаж – осушение земель). Эти почвы формируются под влиянием атмосферной влаги, систематически нисходящие токи которой обусловливают перемещение химических элементов сверху вниз. Режим почвенной влаги в этих условиях может быть как промывным, так и непромывным. Степень перемещения соответствует подвижности элементов в условиях конкретного ландшафта.
   Основные генетические горизонты почвенного профиля автоморфных почв имеют следующие характеристики.
   1. Перегнойно-аккумулятивная часть профиля А. Здесь совершается преобразование отмершего органического вещества и происходит систематическое накопление почвенного перегноя. Одновременно имеет место аккумуляция зольных элементов, необходимых для нормального питания растений.
   В перегнойно-аккумулятивной части профиля развиты не только процессы накопления; часть химических элементов в виде подвижных как органических, так и неорганических соединений выносится за пределы гумусового горизонта. Однако в целом здесь преобладает тенденция к накоплению. Цвет аккумулятивной части профиля более или менее темный от содержащихся органических соединений; мощность меняется в различных почвах от нескольких сантиметров до метра. На поверхности почвы часто накапливаются слабо измененные растительные остатки, образуя лесную подстилку, степной войлок или торфяной горизонт.
   Поверхностный горизонт, сложенный слаборазложившимися растительными остатками (так называемая лесная подстилка), обозначается буквой О.
   2. Переходная часть профиля представляет постепенный переход от гумусового горизонта к почвообразующей породе. В пределах переходной части профиля совершаются различные, часто противоположно направленные процессы.
   Явления вымывания характерны для верхнего горизонта переходной части профиля. В некоторых почвах они выражены необычайно сильно (например, в подзолистых почвах). В этом случае обособляется самостоятельный горизонт вымывания, откуда вынесены все более или менее подвижные соединения.
   Под воздействием нейтральных и даже слабощелочных растворов выщелачиваются и выносятся легкорастворимые соли (хлориды и сульфаты натрия и магния). В результате действия слабокислых растворов выносятся менее растворимые соли (сульфаты кальция, карбонаты). В случае сильнокислых почв (рН почвенного раствора около 5 и ниже) за пределы горизонта вымывания также выносятся оксиды железа и марганца. Кроме того, в результате движения гравитационных вод перемещаются тонкодисперсные частицы. Вследствие этого горизонт вымывания приобретает белесую окраску, напоминающую цвет золы, и резко выделяется на почвенном профиле.
   В нижней половине переходной части профиля преобладают явления вмывания, т. е. выпадения соединений тех химических элементов и мелких частиц, которые были вымыты из верхней части почвенной толщи. Глубина перемещения частиц и соединений в разных условиях довольно значительно отличается, однако, как правило, более растворимые соединения мигрируют глубже, чем менее растворимые. Обычно в качестве горизонта вмывания (иллювиального горизонта) выделяют горизонт вмывания высокодисперсных глинистых частиц, гидроксидов железа и марганца. Иллювиальный горизонт четко выделяется в почвенном профиле более темной окраской и большей плотностью. Ниже переходной части профиля залегает почвообразующая порода, обозначаемая в почвоведении как горизонт С. Следует отметить, что верхняя часть горизонта С несет следы почвообразования в виде соединений, внесенных сюда на верхней части почвенного профиля.
   3. В том случае когда почвообразующая порода имеет небольшую мощность и в обнажении или в шурфе вскрывается порода, подстилающая почвообразующую, она называется почвоподстилающей и обозначается символом D.
   Такова схема строения почв с относительно глубоким положением грунтовых вод.
   Иным (вторым) типом строения профиля обладают гидроморфные почвы, формирование которых происходит в условиях близкого расположения грунтовых вод. В этом случае процесс почвообразования протекает под воздействием грунтовых вод, которые периодически или постоянно обогащают почвенную толщу определенными химическими элементами и создают специфическую геохимическую обстановку. Режим почвенной влаги в этих условиях соответствует застойному.
   При близком залегании грунтовых вод и капиллярном их подъеме в почвенную толщу различные соединения будут выпадать примерно в той же последовательности, как и в случае нисходящего движения вод. Однако в то время как при нисходящем движении ближе к поверхности расположены менее растворимые соединения, при восходящем движении грунтовых вод имеет место обратная картина – более растворимые соединения находятся близко к поверхности или располагаются непосредственно на ней. Поэтому почвенный профиль гидроморфных почв состоит, во-первых, из более или менее выраженной перегнойно-аккумулятивной части и, во-вторых – из системы минерально-аккумулятивных горизонтов, каждый из которых называется по слагающему его соединению.
   При более детальном изучении строения почвенного профиля внутри основных генетических горизонтов выделяют характерные подгоризонты.
   Сумма мощностей всех горизонтов составляет мощность почвы, или почвенного профиля.
   Обычно переход между горизонтами постепенный, поэтому граница между горизонтами условна и представлена не линией, а некоторой переходной полосой. Иногда переход между горизонтами чрезвычайно четкий, но граница при этом бывает не обязательно ровной.
   Мощностью почвы называется толщина всех ее горизонтов от поверхности до почвообразующей породы. Различные почвы имеют различную мощность – от 40–50 до 100–150 см. По мощности отдельных горизонтов можно судить о происхождении и плодородии почвы. Чем мощнее гумусовый горизонт, тем плодороднее почва.
   От химического состава почвы зависит ее окраска. Гумусовые вещества окрашивают почву в темные тона; оксиды железа дают коричневые и красные тона, а закись железа окрашивает заболоченные почвы в сизый и зеленовато-голубоватый цвета. Белые и светлые тона окраски почв зависят от содержания в них кварца и его разновидностей, каолинита, растворимых солей. С давних времен земледельцы по окраске судили о плодородии почвы, которое связывалось с черной или темно-серой окраской, обусловленной содержанием гумуса.
   По гранулометрическому составу выделяют песчаные, супесчаные, легкосуглинистые, среднесуглинистые, тяжелосуглинистые и глинистые почвы. Принадлежность почвы к тому или иному виду в полевых условиях определяют визуально и органолептически. Довольно прост и удобен метод скатывания увлажненной почвы в шнур.
   Под структурой почв понимают внешнюю оформленность почвенных агрегатов (комочков). Каждому типу почв и отдельным горизонтам соответствует своя структура. Сложение почв – это внешние признаки их пористости и плотности. По степени плотности различают очень плотное, плотное, рыхлое и рассыпчатое сложение почв. Очень плотное сложение свойственно связным глинистым почвам и иллювиальным горизонтам некоторых почв. Такие почвы копать лопатой невозможно, требуется кирка. Плотное сложение характерно для иллювиальных горизонтов суглинистых и глинистых почв. При копании лопатой требуется значительное усилие. Рыхлое сложение имеют пахотные горизонты почв после их обработки, а также верхние горизонты структурных суглинистых почв. Рассыпчатое сложение характерно для сухих песчаных и супесчаных почв.
   По характеру пористости выделяют следующие виды сложения: тонкопористое (поры менее 1 мм); пористое (1–3); губчатое (3–5); ноздреватое (5—10); ячеистое (более 10 мм).
   Сложение почвы влияет на обмен воздуха, водопроницаемость, а также на сопротивление почвы при обработке. По степени трудности обработки почвы разделяют на легкие, средние и тяжелые.
   Рассмотрим понятия новообразований и включений в почву. Новообразования – это скопления веществ, возникших при почвообразовательном процессе. По происхождению новообразования бывают химическими и биологическими.
   Химические новообразования возникли в результате химических процессов и имеют вид налетов, прожилок, конкреций и др. К ним относятся видимые скопления легкорастворимых солей, кристаллы гипса, рыхлые скопления извести, оксиды железа, оксиды марганца, закисные соединения железа, которые обусловливают голубую или сизую окраску глеевых горизонтов. Карбонатные новообразования определяют по вскипанию от 10 %-ного раствора соляной кислоты.
   Биологические новообразования имеют животное или растительное происхождение. Они встречаются в следующих формах: экскременты червей в виде водопрочных комочков; извилистые ходы червей; пустые или заполненные ходы землероев (сусликов, сурков, кротов); следы сгнивших корней и др.
   По новообразованиям можно судить о свойствах почв. Так, сизоватые и ржаво-охристые пятна указывают на заболоченность и неблагоприятные агрономические свойства почв. Биологические новообразования (копролиты, червороины) характерны для плодородных почв.
   Включения – это предметы различного происхождения, не связанные с почвообразовательным процессом (обломки горных пород, куски кирпича, черепки, кости животных, угольки и др.).
   Полевое описание морфологических признаков дает возможность судить о характере почвообразовательного процесса и свойствах почв.

2.3. Состав почв

   Минералогический, гранулометрический и химический состав определяют многие свойства и плодородие почвы, ее производительную способность для разных сельскохозяйственных культур, а также их качественную оценку, в том числе экологическую.
//-- Минералогический состав почв --//
   В минералогический состав почвообразующих пород и почв входят первичные и вторичные минералы.
   Первичные минералы представлены в основном частицами более 0,001 мм, вторичные – частицами менее 0,001 мм, причем первичные в большинстве почв преобладают над вторичными. Первичные минералы слагают основную массу магматических пород, средний минералогический состав которых следующий.
   В результате физического, химического и биологического выветривания образуются рыхлые породы, в составе которых присутствуют и вторичные минералы.
   Устойчивость к выветриванию у первичных минералов различная и зависит от прочности кристаллической решетки, спайности минералов, размера и формы зерен, различий в химическом составе.
   Большинство почвенных минералов представлено минералами с кристаллической структурой, которая определяет величину и химическую природу поверхности частицы минерала, от которой зависят растворение, осаждение, адсорбция, десорбция и обмен элементов.
   Индивидуальные свойства минералов определяет расположение в них противоположно заряженных ионов.
   Самым крупным ионом является ион кислорода. Он занимает большую часть объема минералов. Размер иона кремния таков, что он точно соответствует полости, образующейся при группировке вокруг него четырех ионов кислорода. Ион алюминия может группировать вокруг себя шесть ионов кислорода.
   Большинство кристаллических почвенных минералов представляют собой объединенные в трехмерные сетки тетраэдры кремнезема или сетки тетраэдров кремнезема в сочетании с сетками октаэдров алюминия. Кислород тетраэдров кремнезема будет общим для прилегающих тетраэдров или октаэдров, избыток отрицательных зарядов должен быть уравновешен катионами. При этом образуются различные типы структур: островные, каркасные, ленточные, листоватые. Для кварца и полевых шпатов характерна каркасная структура.
   Кварц – трехмерный минерал, состоящий их тетраэдров кремнезема, в котором Si и О находятся в таком же отношении, как в SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Разновидности кварца (халцедон, агат, кремень, опал) различаются структурным расположением атомов Si и О.
   Полевые шпаты – трехмерные безводные алюмосиликаты К, Na и Са. Они образованы тетраэдрами кремнезема, связанными общими атомами кислорода; отрицательные заряды сбалансированы К, Na или Са.
   Другие неслоистые минералы включают оливин, силикат, апатит – основные фосфорсодержащие минералы.
   Слюды – слоистые минералы, у которых сетки тетраэдров кремнезема расположены с каждой стороны сетки октаэдра алюминия. Кислород тетраэдров кремнезема является общим для прилегающих тетраэдров и октаэдров, а избыток отрицательных зарядов уравновешивается К, Na, Li, Ca, Mg, Fe или Zn, которые могут размещаться в кристаллической решетке. Наиболее распространенными слюдами являются мусковит и биотит.
   Первичные минералы влияют на агрофизические свойства и являются источниками зольных элементов, от них зависит направленность почвообразования. Первичные минералы являются источником для образования вторичных минералов.
   Вторичные минералы представлены глинистыми минералами, минералами оксидов железа, алюминия, марганца и кремния и минералами-солями.
   Глинистые минералы составляют основную часть вторичных минералов, обнаруживаются преимущественно в глинах. Их отличают слоистое строение, высокая дисперсность (небольшой размер частиц) и значительная поглотительная способность. Они определяют емкость поглощения и являются основным источником минеральных элементов для растений.
   Неподвижная двухслойная кристаллическая решетка каолинитов состоит из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного слоя алюмогидроксильных октаэдров. Они не впитывают воду, не набухают и поэтому имеют хорошую водопроницаемость и низкую липкость. Содержание каолинита в почвах незначительно, за исключением почв субтропиков и тропиков.
   Монтмориллонит обладает высокой устойчивостью: 40–50 % коллоидных частиц и до 80 % частиц меньше 0,001 мм. Минералы этой группы имеют неблагоприятные водно-физические свойства, они слабоводопроницаемы, обладают значительной липкостью. Эти свойства существенно улучшаются на богатых гумусом почвах, когда образуются водопрочные образования, формирующие агрономически ценную структуру почвы.
   Гидрослюды – трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся решеткой: они образуются из слюд и полевых шпатов. Емкость поглощения ниже, чем у монтмориллонита; они содержат до 6–8 % К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О, частично усвояемого растениями. К ним близок вермикулит, по свойствам приближающийся к монтмориллониту. Гидрослюды присутствуют во всех почвах и особенно часто – в подзолистых и сероземах.
   Смешаннослойные минералы состоят из слоев индивидуальных минералов, поэтому их свойства зависят от характера переслаивания и доли индивидуальных минералов (хлорит – вермикулит, гидрослюда – монтмориллонит и др.). Наиболее распространены в почвах умеренного, холодного и арктического поясов, где глинистые минералы на 30–80 % представлены этой группой.
   Минералы оксидов и гидроксидов образуются при выветривании первичных минералов в аморфной форме в виде высокодисперсных гелей и постоянно подвергаются дегидратации и кристаллизации. Наибольшее распространение в почве имеет кремнезем.
   Кремнезем широко распространен во всех почвенных зонах, при старении теряет воду и превращается в халцедон и кварц.
   Минералы этой группы повышают влагоемкость, связывают фосфаты, повышают липкость и набухаемость почвы, что в значительной степени влияет на почвообразование.
   Минеральные соли являются примесями к глинистым минералам. К ним относятся доломит, сода, кальцит, магнезит, гипс, ангидрит, мирабиллит, тенардит, галит, фосфаты, нитраты, сульфиды железа и тяжелых металлов и др. Многие из этих солей растворяются, насыщая почвенный раствор, а в сухом климате могут накапливаться, образуя различные засоленные почвы.
   Влияние вторичных минералов в почве весьма значительно. Они определяют поглотительную способность почв и являются источником питательных элементов. Их роль в образовании водопрочной структуры определяет особенности водного, воздушного и теплового режимов.
//-- Гранулометрический состав почв --//
   Твердая фаза почвы (скелет, основа почвы) состоит из агрегатов и частиц различной формы и размеров, которые различаются по минералогическому и химическому составу. Это обособленные кусочки, куски (осколки) пород и минералов, аморфных сОединений, все элементы которых находятся в химической связи. По происхождению они делятся на минеральные, органические и Органоминеральные. Основная масса (95–98 %) из них минеральные. Элементарные частицы, близкие по свойствам и размерам, объединяются в группы, фракции, на основе чего производится классификация механических элементов, приведенная ниже.

   Частицы размером более 1 мм называют почвенным скелетом или крупноземом, менее 1 мм — мелкоземом.
   Сумму всех частиц размером менее 0,01 мм называют физической глиной, а более 0,01 мм — физическим песком. Сумму частиц менее 0,001 мм называют илистой или тонкодисперсной фракцией. Фракцию крупной пыли иногда называют лёссовидной, так как она составляет основную массу в лёссах.
   Камни – это обломки горных пород. Наличие их в почве затрудняет обработку и ускоряет износ сельскохозяйственной техники, что делает необходимым проведение мелиоративных работ по удалению камней на средне– и сильнокаменистых почвах, на которых содержание камней превышает 5 %.
   Гравий (3–1 мм) состоит из обломков первичных минералов. Его содержание в почве обусловливает неблагоприятные воднофизические свойства.
   Песок (0,05—1 мм) тоже состоит из более мелких обломков первичных минералов, в основном кварца и полевого шпата, но отличается от гравия некоторой влагоемкостью. Если она достигает 10 %, то такие пески пригодны для выращивания сельскохозяйственных культур, для лесных культур она должна быть не менее 3–5 %.
   Пыль крупная (0,05—0,01 мм) по составу и свойствам почти не отличается от мелкого песка, но уже в пыли с частицами средних размеров наряду с первичными встречаются и вторичные минералы, долевое участие которых еще более увеличивается во фракции мелкой пыли. С повышением дисперсности повышаются влагоемкость, высота капиллярного поднятия воды и пластичность почвы, но уменьшается водопроницаемость. Поглотительная способность фракции пыли выражена слабо, так как содержание органических веществ и вторичных минералов невелико.
   Ил (<0,001 мм) состоит преимущественно из вторичных минералов с незначительным количеством первичных в виде кварца и полевого шпата. У частиц мельче этого размера, в особенности коллоидов, при преобладании глинистых минералов и наличии гумуса хорошо выражены поглотительная способность и способность к коагуляции (объединению частиц) с образованием водопрочных агрегатов, включающих и более крупные частицы. Структурные почвы обладают хорошими физическими свойствами. Наличие же в почве илистой фракции вне агрегатов снижает ее воздухо– и водопроницаемость и создает неблагоприятные физические и физико-механические свойства.
   С уменьшением фракций изменяются и химические свойства почвы, так как уменьшается содержание кремнезема, увеличивается количество оксидов алюминия и железа, повышается содержание гумуса и элементов зольного и азотного питания растений.
   Гранулометрический состав почв определяется полевым методом – раскатыванием шнура. Песок не позволяет почве скатываться; при скатывании супеси почва распадается на мелкие кусочки и не дает шнура; при раскатывании легкого суглинка образуется шнур, легко распадающийся на дольки; при раскатывании тяжелого суглинка образуется шнур, который свертывается в кольцо с мелкими трещинами; глина легко свертывается в нерастрескивающееся кольцо.
   Таким образом, породы и почвы будут иметь различные свойства, зависящие от соотношений между теми или другими фракциями механических элементов.
   В зависимости от удельного сопротивления почв при их обработке сельскохозяйственными орудиями почвы делят на легкие (пески, супеси), средние (суглинки) и тяжелые (глины).
   Гранулометрический состав почв имеет большое агрономическое значение. От него зависят основные физические и физико-механические свойства и режимы почв: водный, тепловой, воздушный и питательный. Песчаные и супесчаные почвы водопроницаемы, обладают благоприятными тепловым и воздушным режимами, легко обрабатываются, но бесструктурны, бедны гумусом и зольными элементами, имеют низкую поглотительную способность, плохо удерживают воду. Глинистые почвы, наоборот, медленно прогреваются, высоко влагоемкие, поэтому аэрации недостаточно, тяжелые при обработке, но богатые элементами питания, имеют высокую поглотительную способность.
//-- Химический состав почв --//
   Материнской основой почвообразования являются горные породы, вода, воздух и населяющие почву организмы, поэтому почва по своему химическому составу отличается от исходных почвообразующях пород. Основную массу горных пород составляют O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, Si и Аl, на долю которых приходится 84 %. Если прибавить Fе, Ca, Na, К, Mg, то в сумме эти восемь элементов составляют 98,87 % массы пород.
   Почвы наследуют от литосферы характерные для пород соотношения, но значения отдельных элементов изменяются: в почвах больше, чем в литосфере, кислорода (49 % вместо 47), водорода (5 % вместо 0,15), углерода (2 % вместо 0,1), кремния (33 % вместо 27,6), азота (0,1 % вместо 0,01) за счет убыли оснований железа, алюминия. Химический состав зависит от состава и соотношения формирующих почву минералов и тех изменений, которые они претерпевают при выветривании.
   Химический состав почвообразующей породы отражает и ее гранулометрический состав. Содержание SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

уменьшается по мере уменьшения размеров фракций на фоне соответственного увеличения содержания Аl -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Так, в тонкопылеватой и илистой фракции, особенно в сравнении с песком, преобладают относительно богатые алюминием и железом глинистые минералы, что и отражается на общем химическом составе этих фракций.
   На песчаных породах, богатых кварцем, почвы обогащены кремнеземом, на лёссе – кальцием, на засоленных породах – солями и т. д.
   При однородной почвообразующей породе общий химический состав для различных горизонтов почвенного профиля неодинаков, что обусловлено особенностями почвообразовательных процессов: подзолообразовательный горизонт обедняет верхние горизонты основаниями, оксидами железа и алюминия и обогащает кремнеземом, а в иллювиальном горизонте наблюдается обратная картина; с дерновым процессом связано обогащение верхней части почвы азотом, углеродом, серой и др. Общий химический состав почвенного профиля изменяется и в каждом конкретном случае: определяется присутствием в почве отдельных элементов и их соединений.
   Для оценки почвенного плодородия необходимы сведения о тех соединениях, которые могут быть использованы растениями в течение вегетационного периода (т. е. периода вызревания растений).
   Содержание кремния определяется наличием кварца (SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и в меньшей мере – первичных и вторичных силикатов и алюмосиликатов. При этом в ряде случаев может присутствовать в больших количествах аморфный кремнезем (опал и халцедон). При выветривании кремнезем переходит в раствор в виде анионов орто– и метакремниевых кислот и силикатов щелочных металлов.
   Азот очень важен для растений. Он содержится в основном в составе гумуса и составляет в нем 1/10—1/20 от содержания углерода; входит в состав всех белковых веществ, фосфатидов и многих других органических соединений живой клетки.
   Азот почвы разделяется на шесть категорий: 1) азот органических веществ; 2) минеральный азот в почвенном растворе; 3) минеральный азот в обменном состоянии; 4) азот растительных остатков; 5) аммоний, фиксированный в глинистых минералах; 6) газообразный азот в почвенном воздухе.
   Органический азот можно разделить на легко-, трудно– и негидролизуемую фракции, минеральный азот присутствует в форме NH -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и лишь иногда – в форме NO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Взаимоотношения между формами зависят в значительной степени от протекания процессов аммонификации, нитрификации и денитрификации. Азот для растений находится в незначительных количествах, поэтому даже на черноземах требуется внесение азотных удобрений.
   Углерод содержится в гумусе и в органических остатках, его много в составе карбонатов. Содержание углерода в почве колеблется от долей процента до 3–5 и даже 10 % в торфах и черноземах. Гумус – главный источник углерода, участвующего в процессе формирования почвы.
   В анаэробных условиях оксид железа переходит в закисную форму с образованием растворимых соединений, доступных растениям. В аэробных условиях и при нейтральной реакции (рН ≈ 7,0) наблюдается хлороз – заболевание растений, вызванное недостатком Fе в почве. Повышенная подвижность железа и алюминия угнетает растения. Валовое содержание Al -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в почвах колеблется от 1–2 до 15–20 %, в почвах тропиков может достигать 40 %. Валовое содержание Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

колеблется от 0,5–1,0 до 8– 10 %, а в почвах тропиков – до 20–50 %.
   Калий – необходимый элемент для растений. Содержание K -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в почвах колеблется от 1 до 2–3 %, больше – в тяжелых, меньше – в легких почвах. Он входит в состав глинистых минералов, гидрослюд, калиевых полевых шпатов, биотита, мусковита, солей и др. Калий минералов растениям недоступен. Формы калия в почве: калий почвенного раствора (водорастворимый); обменный; труднодоступный (необменный); калий почвенных минералов. Между ними существует подвижное равновесие. Если оно нарушается, то ионы калия заново перераспределяются в почве. Наиболее быстро восстанавливается равновесие между обменным и водорастворимым калием, медленнее – между необменным и обменным. Основным источником калия для растений являются калий почвенного раствора и обменный калий. Калий минералов превращается медленно, и часто в течение одного вегетационного периода он не играет существенной роди в обеспечении растений калием.
   Кальций и магний также необходимы растениям. Содержание СаО в бескарбонатных суглинистых почвах составляет 1–3 %, содержание MgO обычно близко к СаО. Они входят в состав глинистых минералов (кальцит, гипс, доломит, оливин и др.), в почвах тропической зоны много сульфатов магния и кальция. Формы содержания этих элементов в почве: кальций и магний минералов, обменные формы, кальций и магний почвенного раствора. Его содержание в почве пополняется внесением органических удобрений.
   Фосфор является очень важным элементом в земледелии, так как многие почвы в естественном состоянии содержат мало доступных для растений фосфатов. Валовое содержание фосфора Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

составляет 0,1–0,2 %. Фосфор почвы можно разделить на фосфор, входящий в состав аморфных и кристаллических минералов (апатиты фосфориты, вивианиты); фосфор, входящий в состав органических веществ (фитины, фосфатиды и др.); фосфор, адсорбированный на поверхности оксидов железа и алюминия и других неорганических компонентов почвы; фосфор почвенного раствора. На долю органических фосфатов в дерново-подзолистых почвах приходится до 40 % валового содержания, в черноземах – около 60 %. Запасы подвижного и поэтому доступного для растений фосфора зависят от скорости превращения органического фосфора и труднодоступных минеральных соединений. Для оценки фосфатного режима почвенные фосфаты разными методами делят на фракции, воздействуя на почву разными растворителями. При этом выделяются органические фосфаты, фосфаты железа и алюминия, недоступные для растений, фосфаты кальция разной степени растворимости. Наиболее благоприятная реакция, при которой накапливаются доступные фосфаты, – рН 6,0–6,5. В кислой и щелочной среде происходит снижение концентрации фосфатов, когда образуются или неподвижные фосфаты железа и алюминия, или гидроксилапатит.
   В отличие от азота, фосфор нелетуч, но хорошо растворяется в воде. Кроме того, фосфор в почве не возобновляется, и для повышения урожайности его необходимо вносить в нее, например в виде суперфосфата.
   Алюминий и железо входят в состав первичных и вторичных минералов, накапливаются в форме оксидов и гидроксидов, образуют с органическими веществами комплексные соединения.
   Таким образом, минералогический, гранулометрический и химический состав почвы – основное свойство, определяющее ее плодородие, а химический состав служит экологической характеристикой почвы.

2.4. Почвенные растворы и коллоиды

   В состав почвенной массы входят частицы разного размера. Самые мелкие из них, раздробленные от 0,2 до 0,001 мкм, относятся к коллоидам. Образуются они путем раздробления более крупных частиц или путем конденсации молекул в агрегаты.
   В почвах коллоиды образуют двухфазную систему, состоящую из дисперсной фазы (твердые коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Высокодисперсные системы по величине частиц делятся на три группы:
   – предколлоидные системы – диаметр частиц 1 мкм– 100 нм;
   – коллоидные системы – диаметр частиц 100—1 нм;
   – молекулярные растворы – диаметр частиц < 1 нм.
   Коллоиды в почвах представлены системой минеральных, органических и органоминеральных соединений.
   В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85–90 % их общей массы. К минеральным относятся глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, вермикулит и др.), гидроксиды железа, алюминия, марганца, кремния и их комплексные соли.
   К органическим коллоидам относятся аморфные гумусовые вещества, а также некоторые полисахариды и клетки наиболее мелких бактерий.
   Органоминеральные коллоиды представлены сложными образованиями гумусовых веществ с минеральными коллоидами.
   Основное свойство коллоидов – способность к поглощению веществ из растворов как в виде молекул, так и в виде ионов. Поглощенные вещества могут обмениваться на другие, находящиеся в растворе, т. е. коллоиды обусловливают поглотительную и обменную способность почв. Это свойство определяется высокой реакционной способностью, обусловленной большой суммарной и удельной поверхностью (1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

или 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в единице массы или объема), которая тем больше, чем выше дисперсность коллоидов.
   С увеличением суммарной поверхности растет суммарная поверхностная энергия и повышается химическая активность коллоидов. Удельная поверхность выше в суглинистых почвах, чем в песках и супесях, и в гумусовом горизонте, чем в нижележащих слоях. Удельная поверхность коллоидов в гумусовых горизонтах суглинистых дерново-подзолистых почв составляет 29 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/г, в серых лесных – 33 и в черноземах – 48 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/г.
   Свободная поверхностная энергия стремится к сокращению, что достигается или укрупнением частиц, или путем физической адсорбции на их поверхности молекул некоторых веществ.
   Вторая характерная особенность коллоидов – наличие двойного электрического слоя ионов на границе дисперсной фазы и дисперсионной среды.
   Коллоид имеет сложное строение. Внутренняя его часть, состоящая из агрегатов аморфного или кристаллического вещества разного химического состава, называется ядром. На его поверхности расположен слой прочно удерживаемых ионов, которые вместе с ядром образуют гранулу. Вокруг гранулы двумя слоями располагаются ионы противоположного заряда. К грануле примыкает слой неподвижных противоионов, прочно удерживаемых электростатическими силами ионов потенциалопределяющего слоя, образуя вместе с гранулой частицу. Часть противоионов удалена от частицы, их связь с ней по мере удаления уменьшается. Это диффузный слой, ионы которого способны к эквивалентному обмену на ионы того же заряда из дисперсионной среды и вместе с частицей образуют коллоидную мицеллу. Свободный электрический заряд коллоидной частицы – разность потенциалов вследствие удаления частиц противоионов от границы компенсирующего слоя к внешней границе диффузного слоя.
   Заряд коллоида появляется в связи с нарушением равновесия между зарядами, расположенными на поверхности раздела «твердая частица – раствор», а также в связи с изменением химического состава и структуры коллоидного вещества. В кислой среде, когда в растворе много ионов водорода и мало ионов ОН -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, молекулы гидроксидов алюминия и железа диссоциируют как основания, посылая в окружающий раствор ионы ОН -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, и приобретают положительный заряд. При щелочной реакции, наоборот, они ведут себя, как кислоты, посылая в окружающий раствор ионы Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, и приобретают отрицательный заряд. Отрицательный заряд глинистых минералов возникает в результате замещений части ионов кремния внутри кремнекислородных тетраэдров на трехвалентные ионы алюминия. В алюмогидроксильных октаэдрах часть трехвалентных ионов алюминия может быть замещена на двухвалентные ионы магния. Возникающий отрицательный заряд компенсируется соответствующим количеством катионов К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, Na -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, Ca -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, которые могут обмениваться на катионы почвенного раствора. При этом катионы, компенсирующие отрицательный заряд, могут попадать как на поверхность, так и в межпакетные пространства кристаллической решетки глинистых минералов, увеличивая тем самым их поглотительную способность. Последняя выше у монтмориллонита по сравнению с каолинитом, который может приобретать положительный заряд в кислой среде.
   Коллоиды в почве могут находиться в состоянии геля (коллоидный осадок) или золя (коллоидный раствор). Золь может переходить в гель и наоборот. Переход коллоидов из одного состояния в другое обусловлен изменением электрического потенциала коллоидных частиц и зависит от степени их гидратации. Однако заряженные частицы, отталкиваясь друг от друга, могут долго находиться в растворе, не образуя осадка и не укрупняясь. Коагуляция вызывается действием электролитов, несущих противоположный заряд. При этом коллоиды теряют заряд и слипаются в агрегаты или под действием катионов, или под действием анионов. Механизм коагуляции проявляется как нейтрализация заряда коллоидных частиц и снижение их гидратации, в результате чего они могут соединяться (склеиваться) друг с другом. Коагулирующая способность электролитов зависит от массы и валентности иона: чем выше валентность и чем больше масса в пределах одной валентности, тем выше его коагулирующее действие. Чем больше водная пленка, тем меньше коагулирующая способность иона, так как гидратированный ион не может достаточно близко подойти к частице.
   При насыщении катионами коллоиды находятся преимущественно в состоянии золя, а чем выше заряд и ниже степень гидратации, тем сильнее поглощение иона и его коагулирующее действие. Коагуляция может происходить также при встрече коллоидных частиц, несущих различные заряды, которые соединяются друг с другом.
   При прочих равных условиях переход золя в гель происходит при уменьшении концентрации солей в растворе. От состава и свойств коллоидов зависит поглотительная способность почвы.

2.5. Свойства и режим почв

   Для получения высоких урожаев необходимо знать физические и физико-механические свойства почв, а также их водный, воздушный и тепловой режимы.
//-- Физические свойства почв --//
   Основными физическими свойствами почв являются плотность твердой фазы, плотность сложения и пористость.
   Плотность твердой фазы. Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. Если условно исключить жидкую и газообразную составные части почвы, придать твердой фазе монолитное состояние и определить массу единицы ее объема, то это и будет плотность твердой фазы (удельная масса). В лабораторных условиях плотность твердой фазы определяется методом, при котором объем твердой фазы находят по массе воды, вытесненной навеской сухой почвы. При этом исходят из того, что при температуре +4 °C 1 г воды занимает объем, равный 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Именно поэтому в практике почвоведения плотностью твердой фазы называют отношение массы сухой почвы к массе равного объема воды при температуре +4 °C.
   Этот показатель измеряется в граммах на сантиметр кубический (г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и зависит от минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Минералы, входящие в состав почвы, отличаются различной удельной массой (от 2,1 до 5 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и более); поэтому чем больше в почве тяжелых минералов, тем выше плотность ее твердой фазы. Органическое вещество имеет удельную массу 1,2–1,8 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. в 1,5–2 раза меньше, чем у минеральной части почвы. Поэтому почвы с большим содержанием органического вещества всегда отличаются меньшей плотностью твердой фазы.
   Плотность сложения почв. Это свойство почв определяется взаимным расположением почвенных частиц и комков. Плотность сложения – это масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии. При определении плотности сложения учитывается не только объем твердой фазы почвы, но и объем пор. Плотность сложения выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Большое влияние на нее оказывает обработка почвы. Как правило, наименьшую плотность почва имеет сразу же после культивации, которая способствует ее разрыхлению и увеличению объема пор. Со временем плотность увеличивается до состояния, которое называется равновесной плотностью. При таком состоянии плотность сложения почв длительное время почти не изменяется, что в первую очередь объясняется равновесием сил, вызывающих уплотнение почвы и увеличение объема пор. Уменьшение плотности почвы может происходить в результате ее набухания при увлажнении и последующей усадки в засушливый период, замерзания и оттаивания воды в почве, развития корневой системы растений, деятельности обитающих в почве животных, внесения органических удобрений.
   Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет свои требования к плотности почвы. Наиболее благоприятная для того или иного растения плотность сложения почв называется оптимальной.
   Плотность сложения почвы – важный показатель, характеризующий ее плодородие. От нее зависят водные, воздушные и тепловые свойства, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов, а в конечном итоге – урожайность сельскохозяйственных культур. К основным агротехническим мероприятиям, направленным на достижение оптимальных параметров плотности сложения почвы, относятся ее глубокое рыхление и внесение органических удобрений.
   Пористость почв. Этот показатель складывается из двух частей: объема твердой фазы и объема пор, которые, в свою очередь, могут быть заполнены водой или воздухом. Суммарный объем всех почвенных пор называется пористостью.
//-- Физико-механические свойства почв --//
   Характер и интенсивность процессов, протекающих в почве, во многом зависят от ее физико-механических свойств, которые представлены пластичностью, липкостью, набуханием, усадкой, связностью, твердостью, сопротивлением при обработке. Они во многом определяют условия обработки почвы, энергетические затраты на проведение полевых работ и оптимальные сроки их выполнения.
   Пластичностью называется способность влажной почвы под действием внешней силы изменять свою форму без образования трещин и сохранять ее после устранения механического воздействия. Пластичность характеризует степень подвижности механических элементов относительно друг друга. Она обусловлена присутствием в почве илистых и коллоидных частиц и наличием вокруг них водных оболочек. Именно поэтому сухая почва пластичностью не обладает.
   Пластичность почвы зависит от ее гумусового состояния. Чем больше в почве содержится гумуса, тем при более высокой влажности наступает нижний предел пластичности. Соответственно почва с более высоким содержанием гумуса в весенний период пригодна для обработки.
   Важной характеристикой почвы является липкость. Она характеризуется силой, которую необходимо приложить для того, чтобы оторвать металлическую пластину от почвы. Количественно липкость почвы выражается в граммах на сантиметр квадратный (г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

).
   Как и пластичность, липкость почвы зависит от ее влажности. Липкость обусловлена силами молекулярного сцепления, которые возникают между почвенными частицами, тонким слоем воды и поверхностью соприкасающегося предмета. Липкость возрастает также с увеличением содержания в почве органического вещества. С агрономической точки зрения липкость является неблагоприятным свойством, так как она значительно затрудняет обработку почвы. С этим показателем тесно связано такое состояние почвы, как ее физическая спелость, которая наступает, когда у почвы при обработке исчезает способность прилипать к почвообрабатывающим орудиям и она начинает крошиться на комки. Влажность, при которой наступает состояние физической спелости почвы, зависит от ее гранулометрического состава.
   Набухание – это свойство почв при увлажнении увеличивать свой объем. Оно выражается в процентах от исходного объема почвы.
   Усадка – это свойство влажных почв уменьшать свой объем при высыхании. Она измеряется в процентах от исходного объема и зависит от тех же факторов, что и набухание. Большая усадка почв – отрицательное явление, так как приводит к образованию трещин и разрыву корневой системы растений. При небольшой амплитуде набухания и усадки формируются мелкокомковатые структурные отдельности, способствующие улучшению водных и воздушных свойств почв.
   Под связностью почв понимают их способность оказывать сопротивление силам, стремящимся разъединить частицы почвы. Связность обусловлена взаимным сцеплением механических элементов и выражается в килограммах на сантиметр квадратный (кг/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Обычно высокосвязные почвы могут хорошо противостоять проявлению водной и ветровой эрозии. Однако по мере увеличения связности почв возрастают их твердость и удельное сопротивление, а в конечном итоге – затраты на обработку.
   Под твердостью понимают свойство почвы сопротивляться проникновению в нее твердого тела. Твердость обусловлена способностью почвы оказывать сопротивление силам, направленным на ее сжатие и разрыв во время расклинивания. Твердость почвы измеряется с помощью специальных приборов – твердомеров, она зависит от тех же факторов, что и связность.
//-- Почвенная влага, водные свойства и водный режим почв --//
   Одно из условий формирования почвы – наличие в ней воды. Вода играет основную роль как в выветривании горных пород, так и в развитии почв. Новообразование минералов, образование гумусовых веществ, формирование почвенных горизонтов – все это происходит при участии воды. Благодаря воде в почве протекают многие биологические, физические и химические процессы, совершается транспортировка веществ, происходит развитие растений и микроорганизмов. Почвенная влага является терморегулирующим фактором, в значительной степени определяющим баланс тепла в почве и ее температурный режим; от количества почвенной влаги зависят физико-механические свойства почв, а в конечном итоге – и их плодородие. При этом как недостаток, так и избыток влаги отрицательно сказываются на плодородии почв, снижают окупаемость минеральных и органических удобрений, уменьшают эффективность практически всех агротехнических мероприятий.
   В природных условиях в почве всегда содержится то или иное количество влаги. Если массу этой влаги выразить в процентах от массы сухой почвы, то можно рассчитать ее абсолютную влажность.
   Для характеристики степени насыщения почв водой введено понятие относительной влажности, которая рассчитывается как процент абсолютной влажности от полной влагоемкости.
   Для большинства культурных растений оптимальная относительная влажность почвы находится в пределах 70—100 % от полной влагоемкости.
   Основным источником воды в почве являются атмосферные осадки. Однако обеспеченность растений водой зависит не только от количества осадков, но и от водных свойств самой почвы, от способности почвы испарять, впитывать, поднимать по имеющимся в почве капиллярам влагу, удерживать и отдавать ее растениям.
   При одинаковых осадках разные почвы могут содержать различное количество доступной для растений влаги, что во многом зависит от их гранулометрического и минералогического составов, структурного состояния и гумусированности почв. В связи с этим важно знать не только общие запасы воды в почве, но и состояния, в которых она может находиться, ее доступность растениям, законы передвижения воды в почвенном профиле, водные свойства почв и их водный режим.
   В зависимости от температуры вода в почве может находиться в трех состояниях: твердом, парообразном и жидком.
   Твердая влага – это лед. В таком состоянии вода находится при отрицательной температуре. Замерзшая вода неподвижна и недоступна растениям. При температуре выше 0 °C она становится жидкой или парообразной.
   Парообразная влага находится в почве в форме водяного пара. Она занимает поры почвы и перемещается по ним или с током почвенного воздуха, или же диффузионно – от пор с более высокой абсолютной упругостью пара к порам с меньшей упругостью. Это во многом зависит от температуры почвы. При ее увеличении возрастает давление водяного пара, и он начинает передвигаться к менее прогретым горизонтам. Именно поэтому при большой амплитуде колебаний температуры воздуха в дневное и ночное время могут возникать восходящие и нисходящие потоки движения парообразной воды. По мере снижения температуры водяные пары способны конденсироваться на поверхности почвенных частиц и таким образом переходить в жидкое состояние.
   Вода, которая находится в почве в парообразном или жидком состоянии, подвергается действию сорбционных, капиллярных, осмотических (силы давления) и гравитационных сил. Эти силы могут существенно изменять свойства воды, уменьшать или увеличивать ее подвижность, а соответственно и доступность растениям.
   Сорбционные силы обусловлены свободной поверхностной энергией, присущей почвенным частицам и воде. Благодаря этой энергии почвенные частицы способны притягивать к себе молекулы воды. Такой процесс называется сорбционным (сорбцией), а само явление – гидратацией. Благодаря этому явлению вокруг ионов и коллоидных частиц может образоваться водная оболочка.
   Капиллярные силы обусловлены поверхностным натяжением воды и явлениями смачивания. Поверхностное натяжение объясняется тем, что молекулы воды, которые находятся в поверхностном слое, постоянно испытывают действие сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря воде, передвигающейся под действием капилярных сил, в засушливые периоды года может происходить пополнение запасов влаги в пахотном горизонте почвы, а также перемещение водорастворимых солей, коллоидов и тонких суспензий из нижних горизонтов в верхние.
   Влага, которая находится в почве, при взаимодействии с твердой и газообразной фазами, корнями растений и живыми организмами обогащается различными водорастворимыми соединениями и превращается в почвенный раствор. Этот раствор вследствие взаимного притяжения растворенного вещества и молекул воды обладает определенным осмотическим давлением.
   В почве осмотическое давление возникает при взаимодействии воды и обменных ионов, а также в тех случаях, когда почвенный раствор имеет неодинаковую концентрацию в его различных частях.
   Что касается гравитационных сил, то под их действием свободная влага, находящаяся в крупных порах, может передвигаться из верхних горизонтов в нижние и уходить за пределы почвенного профиля.
   Для оценки общего действия сил, под влиянием которых вода находится в почве, введено понятие «потенциал почвенной влаги». Оно характеризует энергию, с которой почва удерживает воду.
   Почвенная влага делится на следующие категории.
   Кристаллизационная вода. Эта вода входит в состав кристаллических решеток минералов и характеризуется полной неподвижностью.
   Связанная вода. Она удерживается в почве за счет сорбции парообразной и жидкой влаги на поверхности ее твердой фазы. Подразделяется на две формы: прочносвязанную и рыхлосвязанную:
   – прочносвязанная вода удерживается на поверхности почвенных частиц за счет адсорбции паров воды. Она непосредственно соприкасается с механическими элементами почвы и образует вокруг них тонкую пленку, состоящую из двух-трех слоев молекул воды. Эта влага называется гигроскопической. Будучи чрезвычайно прочно связанной с твердой фазой почвы, она неподвижна, совершенно недоступна растениям, не растворяет растворимые в свободной воде вещества, обладает более высокой плотностью и более низкой, чем свободная влага, температурой замерзания;
   – рыхлосвязанная вода образуется при соприкосновении почвенных частиц с водой, находящейся в жидком состоянии. Она представляет собой дополнительную водную пленку, расположенную вокруг прочносвязанной влаги. Молекулы этой пленки удерживаются как за счет сил диполей воды, так и за счет гидратирующей способности обменных катионов.
   Свободная влага. Свободной влагой называется влага, которая находится в жидком состоянии и передвигается в почве под действием капиллярных и гравитационных сил. В зависимости от интенсивности проявления этих сил свободная влага, в свою очередь, делится на две формы: капиллярную и гравитационную:
   – капиллярная влага находится в капиллярных порах и передвигается в них за счет капиллярных сил. Она доступна для растений и сохраняется в почве длительное время. Ее количество во многом зависит от гранулометрического состава почвы. Чем тяжелее почва, тем больше капиллярной влаги может накапливаться в ней;
   – гравитационная влага находится в крупных порах. По этим порам она может передвигаться вниз под действием силы тяжести. Гравитационная влага доступна для растений и подразделяется на просачивающуюся воду и воду водоносных горизонтов. Просачивающаяся влага – это влага, которая передвигается сверху вниз под действием силы тяжести. Влага водоносных горизонтов располагается над водоупорным слоем и удерживается в пределах почвенного профиля за счет его непроницаемости. Наличие в почвенной толще избыточного количества свободной гравитационной влаги – нежелательное явление, так как способствует развитию заболачивания.
//-- Водные свойства почв --//
   К основным водным свойствам почвы относят ее водопроницаемость, водоудерживающую и водоподъемную способности.
   Водопроницаемость – способность почвы впитывать и пропускать через себя воду. Первая стадия водопроницаемости – впитывание. Она проявляется в более сухих почвах, когда свободные от влаги поры начинают заполняться водой. Вторая стадия представлена фильтрацией. Она, как правило, проявляется во время обильных осадков. В это время в почве, которая уже полностью насыщена водой, влага начинает передвигаться под влиянием силы тяжести и градиента напора.
   Интенсивность водопроницаемости почвы зависит от размера и количества пор. Легкие песчаные и супесчаные почвы, имеющие большое количество крупных пор, всегда отличаются высокой водопроницаемостью. Даже после большого количества атмосферных осадков вода на поверхности таких почв практически не задерживается и очень быстро уходит в нижние горизонты.
   В более тяжелых по гранулометрическому составу почвах уровень водопроницаемости зависит от их плотности и структурного состояния. При этом рыхлые, хорошо оструктуренные почвы всегда характеризуются более высоким значением данного показателя.
   На водопроницаемость влияет и состав поглощенных катионов. Например, почвы, насыщенные катионами N+, при увлажнении сильно набухают и становятся почти непроницаемыми для воды.
   Как высокая, так и низкая водопроницаемость неблагоприятна для развития растений. При небольшом значении данного показателя во время дождей может происходить гибель сельскохозяйственных культур от вымокания. При высокой водопроницаемости в корнеобитаемом слое очень трудно создать необходимый запас доступной для растений влаги, и во время засухи растения на таких почвах гибнут в первую очередь.
   Водоудерживающая способность – это свойство почвы удерживать в своих порах воду. Характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость. Влагоемкостью называют наибольшее количество воды, которое -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

может удерживать почва. Обычно влагоемкость выражается в процентах от массы сухой почвы. Одним из факторов водоудерживающей способности почв является свойство почвенных частиц сорбировать на своей поверхности парообразную влагу. Такая способность почвы получила название гигроскопичности, а сама парообразная влага, удерживаемая на поверхности твердой фазы, – гигроскопической.
   Величина гигроскопической влажности зависит от удельной поверхности почвы, содержания в ней гумуса, состава обменных оснований и состава минералов. Чем меньше размер почвенных частиц, тем выше их суммарная поверхность и тем большее количество парообразной влаги сорбируется ими. Гигроскопичность растет с увеличением гумусированности почвы и емкости поглощения катионов. Влияние состава минералов на поглощение водяных паров почвой наиболее сильно проявляется при относительной влажности воздуха более 95 %. Большое влияние на содержание гигроскопической влаги оказывает относительная влажность воздуха. Чем выше влажность воздуха, тем больше гигроскопичность почвы. При значении данного показателя, близком к 100 %, почва насыщается парообразной влагой до состояния, которое называется максимальной гигроскопической влажностью.
   По мере накопления в почве влаги рыхлосвязанная вода постепенно переходит в воду, не связанную с почвенными частицами. В зависимости от степени увлажнения почвы она может занимать как капиллярные, так и некапиллярные поры. Если водой полностью заполнены все поры, то считается, что почва насыщена влагой до состояния полной влагоемкости. Полной влагоемкостъю называется наибольшее количество воды, которое может поглотить почва при полном заполнении водой всех ее пор. В таком состоянии почва может находиться длительное время лишь в том случае, если влага в крупных некапиллярных порах подпирается снизу грунтовыми водами. Если этого не происходит, то гравитационные воды стекают под действием силы тяжести вниз. В этом случае почва переходит в состояние увлажнения, называемое наименьшей или предельно-полевой влагоемкостью.
   Водоподъемная способность – это свойство почвы поднимать влагу по капиллярным порам из нижних слоев в верхние. Наиболее интенсивно вода передвигается за счет капиллярных сил в порах, диаметр которых находится в пределах 0,1–0,003 мм. С увеличением диаметра пор скорость поднятия воды увеличивается, однако высота ее подъема падает. Поры, размер которых менее 0,003 мм, как правило, заполнены связанной пленочной влагой, и в них высота и скорость подъема воды заметно снижаются. Вода в таких порах передвигается только как пленочная.
   С агрономической точки зрения водоподъемная способность почвы имеет очень большое значение. Благодаря этой способности влага грунтовых вод может подниматься по капиллярам к пахотному горизонту почвы и участвовать в водном питании растений. Это особенно важно в засушливые годы, когда сельскохозяйственные культуры могут страдать из-за недостатка влаги. При глубоком залегании грунтовых вод капиллярно-подвешенная влага может также передвигаться к поверхности почвы и испаряться в атмосферу. Особенно интенсивно это происходит в бесструктурных почвах. Для снижения потерь воды при испарении проводят так называемое закрытие влаги, сущность которого заключается в рыхлении верхнего слоя почвы и создании в нем большого количества крупных некапиллярных пор, водоподъемная способность которых незначительна.
//-- Почвенный воздух --//
   Воздух занимает поры, свободные от почвенного раствора. Поэтому его количество в почве зависит как от размера пор, так и от влажности почвы. С увеличением влажности вода начинает вытеснять почвенный воздух и содержание воздуха в почве уменьшается. В сухих почвах содержание воздуха максимально и в зависимости от пористости может колебаться в пределах 25–90 % от объема почвы. В почву поступает воздух из атмосферы, однако по своему газовому составу он значительно отличается от атмосферного. Это отличие в первую очередь объясняется тем, что корни растений, обитающие в почве животные и аэробные микроорганизмы дышат. Они используют кислород почвенного воздуха и выделяют углекислый газ. Для того чтобы это дыхание было непрерывным, количество кислорода в почвенном воздухе должно постоянно пополняться из приземных слоев атмосферы. Это происходит в результате обмена почвенного воздуха на атмосферный. Такой процесс называется газообменом или аэрацией почвы.
   Воздух – очень важная составная часть почвы. Без него, и в первую очередь без кислорода, угнетаются растения, замедляется рост корней, ухудшается потребление растениями воды и растворенных в ней питательных веществ. В почве начинают протекать восстановительные процессы, резко снижается ее плодородие, поэтому вопросам аэрации почвы должно уделяться большое внимание. При этом необходимо четко представлять формы, в которых воздух может находиться в почве, знать особенности его газового состава, свойства и пути регулирования воздушного режима.
   Воздух может находиться в почве в четырех состояниях – свободном, свободном защемленном, адсорбированном и растворенном.
   Свободный почвенный воздух – это воздух, который свободно перемещается по почвенным порам и обменивается с атмосферой. Именно за счет него происходит аэрация почвы. После стекания гравитационной воды он обычно занимает крупные некапиллярные поры, но может находиться и в капиллярных, если в них отсутствует влага.
   Свободный защемленный почвенный воздух – это та часть свободного воздуха, которая при увлажнении почвы может быть изолирована из-за водяных пробок.
   Объем защемленного воздуха зависит от гранулометрического состава почвы и колеблется от 5 до 8 %, достигая своего максимума (12 %) в глинистых почвах с плотной упаковкой. Вследствие изолированности эта форма воздуха почти не участвует в аэрации почвы. При колебании температуры почвы, ее влажности и атмосферного давления изменяется давление защемленного воздуха на стенки пор, что может способствовать разрушению почвенной структуры.
   Адсорбированный почвенный воздух представлен газами, адсорбированными на поверхности почвенных частиц. Его количество зависит от гранулометрического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Чем меньше размер почвенных частиц и чем больше в почве гумуса, тем больше адсорбированного воздуха может находиться в ней. Например, суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса могут адсорбировать на поверхность своих частиц почти в 10 раз больше различных газов, чем малогумусовые песчаные почвы. Это объясняется тем, что почвенные частицы гораздо активнее удерживают пары воды, чем газы. По мере увеличения гигроскопической влажности почвы количество находящегося в ней адсорбированного воздуха снижается. При влажности почвы выше максимальной гигроскопичности вода почти полностью вытесняет адсорбированные газы, вовлекая тем самым их в газообмен с атмосферой.
   Растворенный почвенный воздух – это газы, которые растворены в почвенной влаге. Они почти не участвуют в газообмене с атмосферой, так как их диффузия в водной среде происходит очень медленно. Растворенный почвенный воздух играет важную роль как в обеспечении многих физико-химических процессов, происходящих в самой почве, так и в обеспечении физиологических потребностей растений, микроорганизмов и почвенных животных.
   Газы в воде растворяются неодинаково. Хорошо растворяются аммиак, сероводород и углекислый газ, гораздо хуже – кислород. Многие растворенные газы резко увеличивают химическую активность почвенного раствора. Например, в почвенной влаге, насыщенной углекислым газом, увеличивается растворимость гипса и минералов, относящихся к классу карбонатов. Растворенный кислород, несмотря на относительно невысокую растворимость в воде, способен поддерживать окислительные свойства почвенного раствора. Чем выше биологическая активность почвы, тем больше расход растворенного кислорода и меньше насыщенность почвенного раствора этим газом. Наибольшая насыщенность почвенного раствора кислородом наблюдается весной, когда из-за низкой температуры биологическая активность почвы невысока, а почва переувлажнена водой, обогащенной кислородом.
   В отличие от атмосферы, газовый состав свободного почвенного воздуха непостоянен. Он непрерывно изменяется в связи непрекращающимся взаимодействием между твердой, жидкой, газообразной и живой фазами почвы. Сорбция и десорбция, растворение газов и дегазация почвенных растворов, дыхание растений и почвенной фауны, окисление органического вещества, изменение температуры почвы, ее влажности, атмосферного давления – это процессы, под влиянием которых газовый состав свободного почвенного воздуха непрерывно изменяется.
   Если, например, в атмосфере с ее довольно постоянным газовым составом содержится 78,08 объемного процента азота; 20,95 – кислорода; 0,93 – аргона и 0,03 – объемного процента углекислого газа, то в свободном почвенном воздухе концентрация кислорода иногда снижается более чем в 2 раза, а количество углекислого газа может быть выше в десятки и даже сотни раз. Именно эти газы и являются наиболее динамичными в составе почвенного воздуха. Их содержание зависит от интенсивности жизнедеятельности растений и почвенных организмов, темпов окисления органического вещества, скорости газообмена между почвенным воздухом и атмосферой. Если почва имеет большое количество крупных пор и отличается хорошей аэрацией, то содержание в ней углекислого газа в течение всего периода вегетации растений находится, как правило, в пределах 1 %. При хорошем газообмене почвенного воздуха с атмосферой даже у почв с высокой биологической активностью не происходит чрезмерно высокого накопления диоксида углерода. Вместе с тем в переувлажненных почвах тяжелого гранулометрического состава, характеризующихся плохой аэрацией, содержание СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

может превышать 6 % и более, а количество O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

может опускаться до 15 % и ниже. Еще большее содержание СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и меньшее содержание O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

наблюдается в свободном почвенном воздухе заболоченных почв.
   Что касается азота, то его содержание в почвенном воздухе мало отличается от содержания в атмосфере. Кроме азота, в почвенном воздухе встречаются его закись и оксид. Азот, кислород и диоксид углерода, содержащиеся в свободном почвенном воздухе, называются макрогазами. К микрогазам относятся закись и оксид азота, оксид углерода, предельные и непредельные углеводороды, водород, сероводород, аммиак, меркаптаны, спирты, эфиры, пары различных органических и неорганических кислот. В свободном почвенном воздухе их очень мало, однако при ухудшении аэрации некоторые из них (например, этилен) могут накапливаться в почве в количестве, вредном для корней растений.
   Микрогазы образуются при разложении микроорганизмов и органического вещества, реакции окисления в почве минеральных удобрений и средств защиты растений. Часть микрогазов поступает в почвенный воздух из атмосферы, загрязненной выбросами промышленности и транспорта.
   Выделение из почвы в приземный слой атмосферы углекислого газа называется дыханием почвы. Оно характеризуется скоростью выделения углекислого газа за единицу времени с единицы поверхности. Дыхание почвы зависит как от ее аэрации, так и от интенсивности потребления O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и продуцирования СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Кислород в почве потребляют корни растений, аэробные микроорганизмы и обитающие в ней животные. Небольшая часть его расходуется на химические реакции. Если газообмен между почвенным воздухом и атмосферой хороший, то вместо поглощенного кислорода почва выделяет в эквивалентном количестве СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Чем хуже газообмен, тем меньше выделяется углекислого газа. В связи с этим введено понятие коэффициента дыхания, под которым понимают отношение выделившегося O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

к поглощенному СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. У хорошо аэрируемых почв он приближается к единице, а у почв с плохим газообменом – значительно выше. Увеличение коэффициента дыхания при затрудненной аэрации почвы объясняется образованием в ней большого количества пор, заполненных углекислым газом, накопление которого может превосходить поглощение кислорода. Количество кислорода, которое поглощается почвой, зависит не только от интенсивности газообмена между почвенным воздухом и атмосферой, но и от биологической активности почвы, особенностей произрастаемых растений, фазы их развития, погодных условий. Например, летом, во время наиболее интенсивного развития растений и более высокой температуры, почвы поглощают кислород и выделяют углекислый газ во много раз интенсивнее, чем весной или осенью.
   Являясь в составе свободного почвенного воздуха преобладающим газом, азот считается одним из наиболее важных элементов, необходимых растениям. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, ферментов, содержится в хлорофилле, алкалоидах и многих других органических веществах растений, микроорганизмов, почвенной фауны. Без него жизнь на планете невозможна. В основном азот накапливается и сохраняется в почве в составе органического вещества. Однако часть его в результате процессов минерализации и денитрификации переходит в газообразную форму и теряется из почвы в виде молекулярного азота и сопутствующих ему микрогазов и теряется из почвы.
   Кислород поступает в состав почвенного воздуха из атмосферы в результате диффузии (проникновения). Часть кислорода может попасть в почву с водой или по тканям растений. Он участвует в дыхании растений, микроорганизмов и почвенной фауны, без него жизнедеятельность многих почвенных организмов прекращается. При содержании в почве менее 2,5–5 % кислорода начинают преобладать анаэробные процессы, которые сопровождаются образованием большого количества токсичных соединений, угнетающих развитие растений и почвенной биоты. В целом концентрация O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в воздушной фазе почв в зависимости от сезонов года может колебаться в пределах от нескольких десятых долей до 21 %.
   Основной источник накопления углекислого газа в почве – дыхание растений и животных. Кроме того, количество СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в почвенном воздухе может пополняться за счет десорбции из твердой и жидкой фаз почвы, превращения бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенной влаги, окисления органического вещества и воздействия кислот различного происхождения на карбонаты почвы. Часть СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

может поступать в почву вместе с грунтовыми водами. В атмосфере СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

содержится значительно меньше, чем в воздушной фазе почвы. Однако благодаря его диффузии из почвы происходит обогащение надпочвенного слоя атмосферы углекислым газом. Это повышает количество СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в приземном слое воздуха и способствует тем самым улучшению его ассимиляции растениями.
   При растворении O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в почвенной влаге образуется угольная кислота, которая подкисляет почвенный раствор. При этом значительно усиливается растворяющее действие почвенного раствора, что способствует переводу многих минеральных соединений (фосфатов кальция, карбонатов кальция и др.) в более доступные для растений формы.
//-- Аэрация и воздушные свойства почв --//
   Аэрация, т. е. обмен газами между почвенным воздухом и атмосферой, осуществляется через свободные от воды почвенные поры. Основой аэрации является диффузия, под которой понимают перемещение газов в почвенном воздухе или в атмосфере от участков с высоким парциальным давлением к участкам с более низким давлением. При хорошем контакте почвенного и атмосферного воздуха диффузия газов происходит непрерывно, что объясняется различным газовым составом воздушной фазы почвы и атмосферы. Диффузия газов внутри почвы протекает медленнее, чем в атмосферном воздухе. Диффузию почвенных газов ускоряет поступление влаги в почву, которая вытесняет его в приземные слои атмосферы. При уменьшении влажности почвы освобождающиеся от воды поры сразу же заполняются атмосферным воздухом. Свободный почвенный воздух может вытесняться и засасываться в почвенные поры при изменениях температуры почвы и атмосферного давления, однако значение данных факторов в аэрации невысокое. Еще меньшую роль в аэрации играет ветер. Его влияние на газообмен зависит от объема крупных пор и особенностей обработки почвы. Во время ветра обмен почвенного воздуха с атмосферой наиболее интенсивно происходит на участках, лишенных растительного покрова.
   Нормальный газообмен между почвенным воздухом и атмосферой осуществляется, если объем пор аэрации не ниже 20 %. Интенсивность аэрации во многом определяется воздушными свойствами почвы, среди которых наиболее важными являются воздухопроницаемость и воздухоемкость.
   Воздухопроницаемость – это способность почвы пропускать через себя воздух. Воздух проходит через почву по порам, свободным от воды. Воздухопроницаемость зависит от гранулометрического состава почвы, ее структурного состояния и сложения, а в конечном итоге – от размера пор аэрации. Чем они крупнее и чем их больше, тем выше проницаемость почвы для воздуха. Воздухопроницаемость почв измеряется объемом воздуха в мм -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который проходит за единицу времени в почву при определенном давлении. При увеличении влажности почвы объем пор, незанятых водой, уменьшается и соответственно снижается способность почвы пропускать через себя воздух. В естественных условиях через 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

почвы каждую секунду проходит до 1 л и более воздуха, при этом в структурных почвах значение данного показателя гораздо выше, чем в бесструктурных.
   Под воздухоемкостью понимают количество воздуха, которое почва может удерживать в своих порах. Как и пористость, воздухоемкость выражается в процентах от объема почвы. Она зависит от размера почвенных пор. Максимальное значение воздухоемкости характерно для сухой почвы; по мере увлажнения почвы объем почвенного воздуха уменьшается.
//-- Воздушный режим почв --//
   Воздушный режим почв – совокупность происходящих в ней процессов поступления, передвижения, изменения газового состава и физического состояния почвенного воздуха при его взаимодействии с атмосферой, твердой, жидкой и живой фазами почвы. Воздушный режим почв постоянно изменяется. В его изменениях прослеживаются суточная и годовая динамика.
   Суточная динамика обусловлена в основном изменениями атмосферного давления, температуры, освещенности и фотосинтеза, которые происходят в течение суток. Она охватывает лишь верхний слой почвы. Благодаря ей состав почвенного воздуха может обновиться на 10–15 %.
   Годовая (сезонная) динамика воздушного режима определяется изменениями атмосферного давления, температуры, количества осадков, интенсивности жизнедеятельности растений, почвенных животных и микроорганизмов в течение года. Она соответствует биологическим ритмам и характеризуется увеличением концентрации СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и уменьшением содержания O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

во время интенсивного развития растений. По мере снижения биологической активности СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

покидает почву, а содержание в ней O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

возрастает.
   Наиболее благоприятный воздушный режим наблюдается в рыхлых аморфных почвах с хорошей структурой. В верхних горизонтах этих почв содержание почвенного воздуха во время всего периода вегетации растений находится на уровне 20–25 % от объема почвы. К сожалению, многие почвы такими условиями не обладают. Например, в тяжелых бесструктурных почвах, отличающихся большим количеством капиллярных пор и очень малым количеством крупных некапиллярных пор, даже при оптимальной влажности растения могут страдать от недостатка O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и избытка СO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Их воздушный режим можно улучшить лишь с помощью агротехнических и мелиоративных мероприятий.
   Агротехнические мероприятия должны быть направлены на улучшение сложения почвы, увеличение общего объема ее пор и пор аэрации. Это способствует усилению газообмена между почвенным воздухом и атмосферой и соответственно – уменьшению содержания в почве диоксида углерода и увеличению концентрации кислорода. Чем лучше структурное состояние почвы, тем выше ее воздухопроницаемость.
   Эффективность газообмена между атмосферой и почвенным воздухом можно оценивать также по содержанию в почве углекислого газа и кислорода. Концентрация диоксида углерода более 2–3 %, а кислорода – менее 19–18 % для многих растений неблагоприятна.
   Известкование кислых и гипсование щелочных почв, внесение органических и минеральных удобрений, углубление и рыхление пахотного горизонта, уничтожение почвенной корки, междурядные обработки пропашных культур, посев многолетних трав – вот те агротехнические мероприятия, которые не только способствуют окультуриванию почв, но и оптимизируют их воздушный режим.
   Мелиоративные мероприятия эффективны только на заболоченных почвах. За счет мелиорации из почвы удаляется избыток влаги и почвенные поры заполняются воздухом.
//-- Тепловой режим почв --//
   Тепловой режим почв – показатель, во многом определяющий направление и интенсивность почвообразовательных процессов. От его особенностей зависят длина вегетационного периода растений, видовой состав и продуктивность растительного покрова, водный и воздушный режимы почвы, численность обитающих в ней микроорганизмов, скорость разложения органических остатков и превращения гумусовых веществ, темпы выветривания горных пород, интенсивность химических реакций и т. д.
   Источники тепла для почвы: лучистая энергия Солнца; радиация атмосферы; теплота, идущая изнутри земного шара; энергия, которая выделяется при разложении растительных остатков; радиоактивный распад. Главным среди них является лучистая энергия Солнца. До 30 % солнечной энергии рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, около 20 % поглощается облаками в верхних слоях атмосферы и около 50 % достигает суши или поверхности Мирового океана и поглощается ими. Лучистая энергия Солнца, поглощенная почвой, превращается в тепловую энергию, которая или передается в нижние горизонты, или отдается в атмосферу. Почва отдает тепло в атмосферу лишь в том случае, если имеет более высокую температуру, чем приземные слои воздуха; при этом почва охлаждается. Если почва поглощает больше лучистой энергии, чем количество тепла, которое она отдает в атмосферу, то происходит ее нагревание и тепло начинает распространяться в нижележащие почвенные слои. Чем больше разность между температурой верхних и нижних слоев почвы, тем больше тепла уходит в нижние горизонты. При охлаждении почвы часть тепла, аккумулированного в ее нижних слоях, передается вверх.
   Количество энергии Солнца, поступающей в почву, зависит от почвенно-климатической зоны, погодных условий, особенностей рельефа и экспозиции (расположения) склонов, наличия растительного покрова, окраски почвы, ее физических и тепловых свойств.
//-- Тепловые свойства почв --//
   К тепловым свойствам почвы относят ее теплопоглотительную способность, теплоемкость и теплопроводность.
   Теплопоглотительная способность – это способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Поглощается не вся солнечная энергия, а только ее часть; другая часть отражается почвой. Напомним: величина отраженной коротковолновой солнечной радиации, выраженная в процентах от ее общего количества, достигшего поверхности почвы, называется альбедо. Чем меньше альбедо, тем меньше солнечной энергии отражает почва и тем сильнее она нагревается.
   Значение альбедо зависит от цвета почвы, ее удельной поверхности, влажности и особенностей растительного покрова. Чем темнее почва, тем меньше ее альбедо. В связи с этим почвы, содержащие много гумуса и отличающиеся более темным цветом, всегда нагреваются сильнее, чем более светлые малогумусовые почвы.
   Способность почвы поглощать тепло называется теплоемкостью. Она бывает удельная и объемная. Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла в джоулях (Дж), которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 г сухой почвы на 1 °C, а объемная – соответственно 1 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сухой почвы на 1 °C.
   Перерасчет удельной теплоемкости в объемную необходим при изучении особенностей перераспределения тепла в пределах почвенного профиля. Сложение разных генетических горизонтов различно. Одни из них имеют большую пористость, другие – меньшую, соответственно и соотношение удельной и объемной теплоемкостей будет различно.
   Теплоемкость почвы зависит от ее гранулометрического и минералогического состава, содержания в ней органического вещества, воды, воздуха. Теплоемкость влажной почвы всегда выше теплоемкости сухой почвы. Это объясняется тем, что для нагревания 1 г воды на 1 °C требуется тепла гораздо больше, чем для нагревания такого же количества почвенных минералов; именно поэтому влажные почвы медленнее нагреваются, чем сухие, и медленнее охлаждаются. Медленнее нагреваются глинистые почвы. Они считаются холодными, в то время как песчаные почвы с их невысокой теплоемкостью получили название теплых. Вместе с тем тяжелые почвы осенью гораздо медленнее охлаждаются и в холодное время имеют более высокую температуру, чем легкие.
   В связи с разностью температур теплота, сгорая, поступает на поверхность почвы, перераспределяется между ее слоями. Этот процесс называется теплообменом, а свойство почвы проводить тепло — теплопроводностью. Бесструктурные и плотные почвы имеют более высокую теплопроводность, чем рыхлые с большим количеством пор аэрации. Передача тепла от одних слоев почвы к другим затрудняется и с увеличением содержания в ней органического вещества. Именно поэтому торфяно-болотные почвы отличаются значительно меньшей теплопроводностью, чем минеральные.
   Теплопроводность почв увеличивается по мере их увлажнения. В этом случае из почв вытесняется газообразная фаза и поры заполняются водой, которая способна пропускать тепло почти в 30 раз быстрее, чем воздух.
   Радиационный баланс – это соотношение между количеством солнечной радиации, поглощаемой и излучаемой почвой. Ее приходная часть представлена прямой и рассеянной солнечной коротковолновой радиацией, а также длинноволновым излучением атмосферы. В расходную часть баланса входят отраженная поверхностью почвы коротковолновая радиация и длинноволновое температурное излучение почвы. Если приходная часть радиационного баланса больше расходной, почва нагревается. В этом случае баланс считается положительным. Для радиационного баланса характерна суточная и годовая периодичность.
   Тепловой баланс зависит от особенностей географического положения и рельефа, физических свойств почвы, наличия растительного покрова, сезона года, времени суток, погодных условий и других факторов.
   Влияние рельефа проявляется в перераспределении солнечной радиации и влаги по поверхности почвы. Например, самыми теплыми считаются южные склоны, несколько более холодными – западные и восточные и самыми холодными – северные. При этом чем круче склоны, тем больше влияние их экспозиции на температуру почв. Перераспределяя тепло и осадки по поверхности суши, рельеф оказывает большое влияние на характер и продуктивность произрастающей растительности, которая, в свою очередь, уменьшает поток солнечной радиации к поверхности почвы, снижая тем самым ее температуру в период летней жары.
   Большое влияние на температуру почвы оказывает ее окраска. Темные почвы (например, дерново-карбонатные) отличаются более низким значением альбедо и поэтому всегда сильнее нагреваются, чем светлые.
   В течение суток наибольшие колебания температуры почвы наблюдаются на ее поверхности. Она достигает своего максимума в полдень и понижается в ночные часы. В зависимости от свойств почвы на глубине от 35 см до 1 м суточные колебания температуры затухают. Здесь температура почвы остается довольно постоянной и изменяется лишь по мере смены сезонов года.
   Максимальное значение среднесуточной температуры верхнего слоя почвы наблюдается в июле. Тепловой режим почвы в этот период характеризуется потоком тепла от верхних горизонтов к нижним. Максимальное снижение температуры приходится на январь-февраль. Это период охлаждения почвы, когда поток тепла идет от нижних горизонтов к верхним. При этом на глубине 20 см среднегодовая температура обычно несколько выше, чем среднегодовая температура приземных слоев атмосферы.
   Как и в течение суток, наиболее резкие годовые колебания температуры почвы отмечаются в ее верхнем слое. Обычно почва начинает замерзать при температуре 0,1–1,5 °C. Это объясняется тем, что почвенная влага представляет собой не дистиллированную воду, а раствор, в котором содержится какое-то количество самых разнообразных растворенных веществ, и чем больше их концентрация, тем при более низкой температуре она превращается в лед. Кроме того, связанная влага замерзает при температуре около —4 °C, что также способствует снижению температуры замерзания почвы.
   Глубина промерзания почвы, с одной стороны, зависит от силы мороза, теплоемкости и теплопроводности почвы, а с другой – от наличия на поверхности почвы снежного покрова, от особенностей рельефа, на котором она образована, ее влажности, защищенности растениями и послеуборочными растительными остатками.
   Чем мощнее и рыхлее снежный покров, тем на меньшую глубину промерзает почва. Растения способствуют накоплению снега. Там, где осенью оставлена стерня зерновых культур, посеяны и хорошо раскустились озимые, многолетние травы, имеются посадки плодово-ягодных культур, в зимний период накапливается больше снега и соответственно почва меньше промерзает.
   Глубже всего промерзает почва на северных выпуклых элементах рельефа, с которых ветром сдувается снег. На более теплых южных склонах и в понижениях, где накапливается более мощный снежный покров, глубина промерзания почвы гораздо меньшая.
   В сельскохозяйственном производстве приток солнечного тепла к поверхности почвы регулируется с помощью ее мульчирования, затенения растительностью и специальных приемов обработки земли. Мульчирование поверхности почвы получило распространение в овощеводстве. Оно осуществляется с помощью торфа, соломы, опилок, бумаги и других материалов, как правило, органического происхождения. Мульча темного цвета на 10–15 % снижает альбедо и тем самым увеличивает приток солнечной радиации на ее поверхность. Светлоокрашенные мульчирующие материалы, наоборот, способствуют меньшему нагреванию почвы. Мульчирование поверхности почвы не только регулирует ее тепловой режим, но и значительно снижает испаряющую способность почвы, обеспечивая тем самым сохранение почвенной влаги.
   Существенно уменьшает приток солнечной энергии к поверхности почвы растительный покров. Многолетние травы, лесные насаждения изменяют микроклимат местности, замедляют интенсивность обмена почвенного воздуха с атмосферой, способствуют понижению температуры почвы днем и ее повышению ночью. На участках, занятых растительностью, в зимнее время накапливается больше снега, который предохраняет почву от глубокого промерзания.
   Иногда в овощных хозяйствах для более быстрого прогревания поверхности почвы применяют гребневые и грядковые посевы. С помощью гребней увеличивается общая поверхность почвы, в результате температура ее повышается на 3–5 °C. Вместе с тем почвы с неровной, гребнистой поверхностью ночью быстрее отдают тепло и иногда в утренние часы могут оказаться более холодными.
   Рыхление почвы уменьшает ее теплопроводность и лучеиспускательную способность. Такой прием способствует снижению температуры почвы в дневные часы и сохранению тепла – ночью. Прикатывание почвы, наоборот, увеличивает теплопроводность ее верхнего слоя и способствует повышению температуры неуплотненного нижележащего слоя.
   Для улучшения теплового режима почвы в овощеводческих хозяйствах широко применяют биотопливо, а также искусственный обогрев теплиц с помощью электричества, пара, горячей воды. Эффективным приемом снижения температуры почвы является полив. Осушение заболоченных почв приводит к повышению их температуры в дневные часы и снижению – в ночное время.
   Эти методы регулирования теплового режима почв необходимо учитывать при проведении экологического прогнозирования.

2.6. Плодородие почв

   Сложные микробиологические, физико-химические и химические процессы, протекающие в почве, определяют многие важные показатели состояния окружающей среды, в том числе содержание углекислого газа в атмосфере, биологический круговорот химических элементов, их водную миграцию, экологическую безопасность.
   Значение почвы для жизнедеятельности человека заключается в том, что именно почва является главным источником получения продуктов питания.
   Плодородие обрабатываемых почв измеряется урожайностью сельскохозяйственных растений и в значительной мере определяется уровнем сельскохозяйственного производства (в том числе умением нейтрализовать вредные химические свойства данной почвы, создать оптимальные водный и воздушный режимы, использовать минеральные, органические и бактериальные удобрения), а также степенью механизации и технической оснащенности.
   Плодородие целинных, невозделанных почв определяется продуктивностью естественной растительности. Продуктивность в виде годового прироста сухой биомассы на единицу площади в разных ландшафтах мира колеблется от 10 до 300 ц/га. Плодородие обрабатываемых почв можно оценить фитомассой культурных растений. Общая фитомасса культурных растений на территории европейской части России составляет от 50 до 180 ц/га сухого вещества.
   Для нормального развития растений необходимо, чтобы в почвах имели место следующие условия: 1) обеспеченность элементами питания в усвояемой растениями форме; 2) обеспеченность водой в доступной для растений форме; 3) обеспеченность кислородом в количестве, необходимом для жизнедеятельности растений; 4) благоприятная структура почвенной массы, обеспечивающая оптимальный водно-воздушный режим и хорошую проницаемость корней, что позволяет растениям извлекать в достаточном количестве питательные вещества и влагу; 5) отсутствие соединений, вредных для растений.
   В качестве основных элементов питания растения поглощают из почвы азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, серу. При этом для растений имеет значение не все количество химических элементов, содержащихся в почве, но лишь те формы, которые доступны растениям.
   Большая часть азота в почве находится в составе органических соединений и поэтому недоступна высшим, в том числе культурным, растениям. Только образующиеся в результате микробиологической деятельности аммонийные и нитратные соединения могут быть усвоены растениями. Органические соединения фосфора и большая часть фосфорсодержащих минералов в почве труднодоступны для растений. Основная масса калия в почвах входит в состав вторичных силикатов (гидрослюд) или первичных силикатов и в таком виде растениями не усваивается. Растениями поглощаются из почвы калий и его водорастворимые соединения, во многих почвах содержащиеся в ничтожном количестве. Кальций и магний доступны растениям также в поглощенном и водорастворимом состоянии.
   Содержание химических элементов в усвояемых растениями формах значительно меньше, чем общее их количество, поэтому для обеспечения нормального развития культурных растений (и, следовательно, получения достаточных урожаев) необходимо некоторые элементы питания в усвояемой форме вносить в почву дополнительно, в виде удобрений. Необходимость внесения удобрений в почву обусловливается еще и тем, что ежегодно с урожаем из почвы удаляется часть химических элементов. Следовательно, содержание элементов, необходимых для нормального развития растений, может уменьшаться, что будет отражаться на урожайности. Поэтому применение удобрений является важнейшим приемом повышения урожайности сельскохозяйственных культур и плодородия почвы. Применяя удобрения, человек активно влияет на биологический круговорот веществ, направляя и корректируя его в своих целях.
   Помимо органических и минеральных удобрений, в последнее время находят применение бактериальные удобрения. Культуры бактерий вносят в почву с целью интенсификации микробиологических процессов и повышения доступности для растений химических элементов, имеющихся в почве.
   Нормальное развитие сельскохозяйственных культур зависит не только от содержания в почве микроэлементов, но и от наличия в ней редких и рассеянных химических элементов. Их отсутствие или недостаток в ряде мест снижает урожайность и вызывает различные заболевания среди культурных растений. Особенно широко распространены отрицательные явления, связанные с недостатком в почве меди. Эти явления относятся главным образом к торфяным почвам лесной зоны.
   Велико значение микроэлементов и для животноводства. Избыточное или недостаточное содержание некоторых микроэлементов в почве и в кормовых растениях существенно влияет на продуктивность сельскохозяйственного скота. Так, недостаток кобальта вызывает понижение количества эритроцитов в крови животных, что затрудняет синтез белка и приводит к резкому похудению, несмотря на достаточное количество местных кормов. Отрицательное влияние на сельскохозяйственных животных оказывает недостаток или избыток в кормах меди, никеля, селена, фтора и йода.
   Вода играет огромную роль на всем протяжении жизни растений – от прорастания семян до созревания. Для нормального прорастания семян различных растений требуются различные количества воды: для пшеницы – около 45 %, а для свеклы – около 120 % от массы семян. Количество воды, расходуемое на создание 1 т сухой массы различных культурных растений, также неодинаково и меняется от 200 до 1000 т. Так, например, на 1 т пшеницы в среднем расходуется около 500 т воды, а на 1 т риса – более 1000 т воды.
   Растениям доступны лишь формы свободной воды, т. е. гравитационная и капиллярная вода. Это объясняется тем, что сорбционно связанная вода не может быть оторвана осмотическими силами, поэтому в суглинистых почвах, содержащих большое количество сорбированной воды, при общей влажности 10–15 % растение может быть лишено воды, а в супесчаных почвах предел дефицита влаги иногда понижается до 1–2 %.
   Почвенная влага теряется преимущественно в процессе капиллярного испарения. Образование протяженных капилляров в почве создает условия для быстрой потери почвенной воды, а нарушение этих капилляров способствует ее сохранению. Поэтому создание мелкокомковатой структуры почвы является эффективным мероприятием против ее высыхания.
   В засушливых районах применяются различные мероприятия, направленные на увеличение поступления воды в почву, – регулирование поверхностного стока, снегозадержание, а также различные виды орошения. Важное значение для плодородия почвы имеет кислород воздуха. Кислород необходим прежде всего для микробиологических процессов. Затрудненный газообмен в плотных почвах и накопление в почвенном воздухе углекислоты, так же как дефицит кислорода при избыточном увлажнении почвы, угнетающе действуют на растительность. Отрицательное действие почвенного воздуха проявляется при содержании кислорода менее 8—12 % от всего объема, а при содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет.
   Обеспеченность почвы кислородом и поддержание оптимального газообмена в почве в значительной степени зависят от ее структуры. Оптимальной структурой пахотного горизонта считается мелкокомковатая или зернистая водопрочная структура.
   Плодородие почвы как качество, определяющее урожайность, обусловливается не только природными свойствами, но и характером ее возделывания. Различают естественное плодородие целинных земель и искусственное плодородие – как результат воздействия человека на почву.
   С развитием науки и технологии земледелия искусственное плодородие почвы будет прогрессивно повышаться. Таким образом, эффективное плодородие обусловлено развитием человеческого общества, его производительных сил. По этой причине плодородие почвы и продуктивность земледелия возрастали на всем протяжении исторического развития.
   Воздействие человеческого общества на почву представляет собой одну из сторон общего, в том числе экологического, влияния человека на окружающую среду в целом. При этом почва, будучи важнейшим условием существования человека, имела для него особое значение.
   Воздействие человеческого общества на почву, беспрестанно возрастая на протяжении истории, проявлялось как в формах направленного преобразования, так и в формах прямого разрушения. В отдаленные времена бесчисленными стадами была сведена растительность и вытоптана дернина на обширной территории продуктивных ландшафтов. В более близкое время в результате бездренажного орошения десятки миллионов гектаров плодородных почв превратились в засоленные земли и соленые пустыни. По данным ООН, ежегодно от засоления и заболачивания гибнет 200–300 тыс. га поливных земель. Большие площади высокоплодородных пойменных почв были затоплены и заболочены в результате строительства плотин и водохранилищ на крупных реках. Однако, как ни велики явления разрушения почв, это лишь небольшая часть результатов воздействия человека на почвенный покров Земли. Основной результат человеческого воздействия на почву – постепенное изменение процесса почвообразования, все более глубокое регулирование процессов круговорота химических элементов и трансформации энергии в почве. Один из важнейших факторов почвообразования – растительность мировой суши – подвергся глубокому изменению. За историческое время площадь лесов сократилась более чем наполовину. Обеспечивая развитие растений, которые ему полезны, человек на значительной части суши заменил естественные биоценозы искусственными. Биомасса культурных растений (в отличие от естественной растительности) полностью не поступает в круговорот веществ. Значительная часть культурной растительности (до 40 и даже до 80 %) выводится с поля. Это приводит к истощению запасов в почве гумуса, азота, фосфора, калия, микроэлементов и в итоге – к снижению плодородия почвы.
   Раньше в связи с избытком земли по отношению к небольшой численности населения после снятия одного или нескольких урожаев обрабатываемый участок оставлялся. Почвообразующие факторы с течением времени восстанавливали биогеохимическое равновесие в почве. С началом земледелия в лесной зоне стала применяться огневая (лесопольная, или подсечная) система, при которой сжигался лес, а освобождавшаяся площадь, обогащенная зольными элементами сожженной растительности, засевалась. После истощения обрабатываемый участок забрасывался и выжигался новый. В степных условиях наиболее древними системами земледелия были залежная и переложная системы: при залежной системе использованные участки земли после истощения оставлялись на длительное время, при переложной – на более короткое. Постепенно количество свободных земель уменьшалось, срок перерыва между посевами все сокращался и в конце концов достиг одного года. Так возникла паровая система земледелия с двух– или трехпольным севооборотом. Однако такая усиленная эксплуатация почвы без внесения удобрений и с невысокой культурой агротехники способствовала постепенному снижению урожайности и качества продукции.
   Жизненная необходимость поставила человеческое общество перед задачей восстановления ресурсов почвы. С середины прошлого века началось промышленное производство минеральных удобрений, внесение которых обеспечивало компенсацию элементов питания растений. Со временем были выработаны агротехнические приемы, активизирующие миграцию химических элементов в системе «почва—растение», способствующие вовлечению в биологический круговорот возможно большей части почвенных ресурсов и нейтрализующие отрицательные свойства отдельных типов почв. Современные системы земледелия направлены на поддержание и увеличение почвенного плодородия.
   Рост населения Земли и ограниченность площадей, пригодных для земледелия, выдвинули на передний план проблему мелиорации (улучшения) почв. Современные технические средства позволяют проводить разнообразные мелиоративные мероприятия. В первую очередь они направлены на оптимизацию водного режима. На территориях излишнего увлажнения и заболачивания проводится осушение, в теплых районах осуществляется искусственное орошение. В настоящее время ведется борьба с засолением почв, осуществляется известкование кислых почв, гипсование солонцов, восстановление и рекультивация площади горных выработок, карьеров, отвалов. Мелиорация распространяется и на высококачественные почвы, что еще выше поднимает их плодородие.
   В мире широкий размах получили работы по предупреждению процессов, разрушающих почвенный покров; создаются полосы лесозащитных насаждений, сооружаются искусственные водоемы и ирригационные системы. О масштабах деятельности человека по регулированию почвообразования можно судить по тому, что в настоящее время во всем мире искусственное орошение осуществляется на площади около 240 млн га. В плане международной программы ООН и ЮНЕСКО «Человек и биосфера» предусматриваются мероприятия по разработке наиболее эффективных мер защиты и повышения продуктивности почв. В общем балансе мировой суши леса занимают 24 %; травянистые ландшафты, которые можно рассматривать как используемые потенциальные луга и пастбища, – 20 %; распаханные площади – 16,5 %; прочие территории – 39 % всей суши. Можно считать, что сельскохозяйственная освоенность суши составляет около 30 %.
   На территории России распространение земледелия зависит от природных условий. В тундровой зоне земледелие представлено редкими очагами. Очаговое земледелие в сочетании с лесным хозяйством и охотничьим промыслом развито на севере таежно-лесной зоны европейской части России и преобладает на территории азиатской части этой зоны. С продвижением на юг земледелие играет все большую роль в хозяйственной деятельности человека (особенно в европейской части России), значительно увеличивается распаханность почв. Наиболее широко распространено земледелие в лесостепных и степных ландшафтах. В сухих степях и пустынях значение его вновь сильно уменьшается. Здесь развито выборочное земледелие в сочетании с пастбищным животноводством.
   Показательно использование почв в сельском хозяйстве для различных географических условий. Особенно неравномерно эксплуатируются почвы в земледелии: от 63 % всей площади для черноземно-степных почв до очень слабого использования в северотаежных, тундровых ландшафтах и в пустынной зоне. Почвенно-природными условиями определяется не только степень распространения земледелия, но и его специализация. На почвах лесостепной, степной и отчасти сухостепной зон выращивают зерновые культуры. Культура льна распространена на дерново-подзолистых почвах.
   Обработка почв, мелиорация, внесение удобрений и другие мероприятия должны планироваться и осуществляться с учетом географических условий. Для правильной организации земледелия необходимо всестороннее изучение как самих почв, так и природных условий почвообразования, поэтому в настоящее время особенно важное значение приобретают почвенно-географические и почвенно-картографические работы.
   Почва имеет важное санитарно-гигиеническое и медицинское значение. В.В. Докучаев был основным организатором первой попытки комплексного физико-географического изучения района Петербурга не только для целей сельского хозяйства, но и в санитарно-гигиеническом отношении.
   Почва является средой обитания многочисленных низших животных и микроорганизмов, оказывающих болезнетворное воздействие на человека. Почва может быть благоприятной средой не только для непосредственных возбудителей болезней, но и для животных – носителей инфекционных заболеваний, поэтому распространение некоторых инфекционных болезней зависит от площади распространения определенных почв.
   На состояние здорового человека может оказывать сильное воздействие химический состав почвы. Иногда недостаток (или избыток) отдельных химических элементов в почве столь велик, что это сказывается на здоровье населения. Известны многочисленные случаи заболеваний, обусловленных недостатком в почве таких элементов, как кальций, железо, йод, фтор.
   Особенно сильно отражается на здоровье населения недостаток химических элементов, которые входят в состав биологически активных веществ, регуляторов жизненных процессов и витаминов, ферментов, гормонов. Районы, в которых под влиянием местных геохимических особенностей обнаруживаются отклонения среди растений и животных, а также эндемические заболевания, называются биогеохимическими провинциями. Эндемические заболевания могут быть ликвидированы после обнаружения их причин.
   Изучение процессов, протекающих в почве, имеет большое значение для совершенствования геохимических методов поиска полезных ископаемых. Эти методы приобрели особое значение в связи со всевозрастающими потребностями мирового хозяйства в минеральном сырье.
   Процессы почвообразования определенным образом изменяют физико-механические свойства верхней части почвообразующих пород, поэтому при различных инженерных изысканиях для строительства аэродромов, автомагистралей, железных дорог и т. п. важную роль играет оценка влияния некоторых процессов почвообразования.
   Таким образом, плодородие почвы является также и экологической характеристикой окружающей среды.

2.7. Основные типы почв России

   Задачей классификации почв является объединение их в группы по их строению, составу, свойствам, происхождению и плодородию.
   Основой классификации почв являются их типы, объединяющие большие группы почв, которые характеризуются:
   – однотипностью процессов поступления органических веществ и их превращения;
   – однотипными комплексами процессов разложения минеральной массы, синтеза минеральных и органических веществ;
   – сходным характером миграции и аккумуляции веществ;
   – однотипным строением почвенного профиля;
   – единой направленностью мероприятий по повышению и поддержанию плодородия.
   Каждый почвенный тип подразделяется на более мелкие единицы: подтип, род, вид, разновидность и разряд.
   Распространение почв на земном шаре подчиняется закону горизонтальной, или широтной, зональности. С севера на юг типы почв сменяются в следующей последовательности: арктические, тундровые, подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземные, каштановые, бурые, пустынно-степные, сероземы, красноземы.
   По современным представлениям в почвенном покрове могут быть выделены широтные почвенно-климатические пояса, объединенные сходством радиационных и термических условий климата (полярный, бореальный, суббореальный, субтропический, тропический). Для каждого пояса характерен большой ряд типов почв, которые не встречаются в других поясах. Эти типы имеют сходные термоэнергетические режимы почвообразования.
   Почвенно-климатические пояса подразделяются на почвенно-биоклиматические области, объединенные сходством режимов увлажнения почвы и типов растительного покрова. Различают следующие биоклиматические области: влажные с лесным, таежным или тундровым растительным покровом; переходные со степным, лесостепным и саванным растительным покровом и сухие с полупустынным и пустынным растительным покровом.
   Биоклиматические области разделяются на зоны. Внутри почвенных зон на переходах к соседним зонам выделяются почвенные подзоны; кроме того, в почвенных зонах обособляются почвенные провинции.
   Почвенная подзона – часть почвенной зоны, на которой в основном распространен определенный подтип почв.
   Почвенная провинция – часть почвенной зоны, выделяемая по температурному режиму почв и сезонному ходу увлажнения. Почвенные провинции разделяются на почвенные округа и районы.
   Некоторые почвенные типы не образуют самостоятельных почвенных зон, а встречаются среди других почв. Эти типы почв называются интразональными. К ним относятся болотные и дерново-аллювиальные пойменные почвы, а также солончаки, солонцы и солоди. Горные системы нарушают широтную зональность, как бы перенося в южные пояса более северные зоны, которые располагаются в вертикальном направлении и сменяют друг друга с высотой. Одним из отличительных признаков горных почв является их каменистость. Мощность горных почв с высотой обычно уменьшается, а степень каменистости возрастает.
   Почвы на территории России отличаются большим разнообразием. Ниже приведены основные их типы.
//-- Почвы арктической и тундровой зон --//
   Арктическая зона включает северные острова Северного Ледовитого океана и северную оконечность полуострова Таймыр.
   Тундровая зона простирается от северо-западной окраины Кольского полуострова до Берингова пролива и граничит на юге с таежно-лесной зоной. Она разделяется на подзоны арктической типичной и южной тундры (включая лесотундру), в пределах которой можно выделить четыре провинции: Кольскую, Канинско-Печорскую, Северо-Сибирскую и Чукотско-Анадырскую.
   Климат арктической зоны суровый – холодный и слабовлажный. Средняя температура самого теплого месяца (июля) составляет +1 – +2 °C. Годовое количество осадков колеблется от 130 до 200 мм, в основном осадки выпадают в виде снега. Относительная влажность воздуха – около 90 %. Продолжительность теплого периода в среднем составляет 2 месяца, безморозный период отсутствует.
   Почвенные грунты находятся в мерзлом состоянии. В течение прохладного короткого лета (2–2,5 мес.) они оттаивают на глубину 30–50 см.
   По климатическим условиям тундровая зона, в отличие от арктической, больше обеспечена теплом. Средняя годовая температура воздуха в тундровой зоне колеблется от —0,2 °C на Кольском полуострове до —16 °C в Сибири. Годовое количество осадков, максимум которых приходится на лето, составляет 300–400 мм в западной части и 150 мм – в восточной. За лето поверхностный слой почвы оттаивает на 0,7–1,5 м; ниже расположена вечная мерзлота. Для арктической и тундровой зон характерен равнинный рельеф с небольшими холмами и замкнутыми понижениями, часто заполненными водой. Почвообразующими породами являются главным образом продукты ледникового происхождения.
   Растительность севера скудна и однообразна. В арктической зоне растительный покров сильно изрежен: отдельные растения, куртины, отстоят далеко друг от друга. Здесь произрастают мхи, кустарники, некоторые виды злаков, лишайники.
   В тундре по долинам рек встречаются леса. По характеру растительности зону тундры и ее подзоны подразделяют на мохово-лишайниковую тундру (северная подзона), кустарниковую тундру и лесотундру (южная подзона).
   Почвообразовательный процесс в рассматриваемых зонах определяется рядом особенностей, обусловленных низкими температурами, переувлажнением почв и наличием слоя вечной мерзлоты.
   Почвы отличаются следующими морфологическими особенностями: наличием поверхностной торфяной подстилки и четко выраженного глеевого горизонта; малой мощностью почвенного профиля; деформацией почвенного профиля, вызванной перемещением насыщенных влагой почвенных грунтов при оттаивании и замерзании.
   Условия почвообразования тундровых почв определяют их физические и химические свойства. Содержание гумуса в тундровых почвах невелико – около 1–3 %. Преобладание в составе гумуса водорастворимых кислот придает верхним горизонтам кислую реакцию (рН солевой вытяжки 3,1–6,0). Поскольку процессы выщелачивания отсутствуют, то в тундровых почвах отмечается значительное накопление окислов алюминия, железа и марганца.
//-- Почвы таежно-лесной зоны --//
   Таежно-лесная зона расположена между тундровой и лесостепной зонами. Широкой полосой она простирается от западных границ РФ на восток до побережья Охотского моря.
   Климат таежно-лесной зоны умеренно холодный и влажный, на востоке континентальный, а в западной части более мягкий. Средняя годовая температура воздуха изменяется от 4 °C на европейской части РФ до 10–16 °C – в Восточной Сибири. Продолжительность периода с температурой выше +5 °C уменьшается с запада на восток со 180 до 120 дней. Среднее годовое количество осадков в этом же направлении уменьшается с 600–700 до 200–300 мм; максимум осадков приходится на теплый период года. Испарение достигает 70–90 % количества выпавших осадков.
   На европейской части РФ и Западно-Сибирской равнине почвы представлены преимущественно бескарбонатными и реже – карбонатными отложениями ледникового происхождения. К востоку почвообразование идет в основном на элювии и делювии коренных пород.
   Растительность таежно-лесной зоны представлена лесным, луговым и болотным видами. Луга включены в лесные массивы отдельными пятнами, постепенно расширяющимися к югу, тогда как площадь болот в этом же направлении значительно сокращается.
   Почвообразовательный процесс на территории таежно-лесной зоны характеризуется большим разнообразием. В пределах таежно-лесной зоны в направлении с севера на юг можно выделить три подзоны – это северная, средняя и южная тайга. В направлении с запада на восток выделяются четыре почвенные провинции: теплая (западноевропейская), северная (восточноевропейская), холодная (западно-среднесибирская) и длительно мерзлотная (восточносибирская).
   Почвенный покров таежно-лесной зоны формируется главным образом в результате трех основных почвообразовательных процессов: подзолистого, дернового и болотного.
   Подзолистый почвообразовательный процесс идет под лесной растительностью. Непременное условие его развития – наличие медленно разлагающейся лесной подстилки и промывной тип водного режима, обусловливающий вынос продуктов разложения с нисходящим током воды. В чистом виде подзолистый процесс развивается под пологом сомкнутого хвойно-мохового леса. Особенностями подзолистого процесса почвообразования являются распад минеральной части почвы под воздействием кислот, которые образуются в процессе разложения, и вынос продуктов разложения из верхней части почвенного профиля вниз.
   Основная морфологическая особенность подзолистых почв – их разделение на генетические горизонты профиля, который имеет следующее строение:
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– лесная подстилка мощностью 2–6 см;
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– грубогумусный перегнойный горизонт, обычно слабовыраженный (мощностью до 3 см) (иногда отсутствует);
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– подзолистый, или элювиальный, горизонт, белесого цвета с сероватым оттенком, пластинчатой структуры, мощностью до 5—10 см и более;
   В – иллювиальный горизонт, бурой окраски, уплотненный, призматической структуры, развит в пределах метровой толщи;
   С – материнская горная порода, мало затронутая почвообразовательным процессом.
   Подзолистые почвы обладают плохими агрохимическими свойствами. Содержание гумуса в перегнойном горизонте не превышает 1–2 %. Верхние горизонты обеднены зольными элементами, окислами алюминия и железа и коллоидной фракцией (рН водной вытяжки 4–5,5). Физические свойства подзолистых почв не обеспечивают нормальных условий для роста и развития растений. Эти почвы бесструктурны, слабоводопроницаемы, их нижние горизонты сильно уплотнены.
   В верхней части дерновых почв выделяется дерновый (гумусовый) горизонт, мощность которого может составлять 10–15 см и более.
//-- Болотные почвы --//
   Основная часть болотных почв расположена в таежно-лесной и тундровой зонах страны. На европейской части болота широко распространены в Ленинградской, Мурманской, Архангельской, Вологодской областях. На территории Сибири болота сконцентрированы на Западно-Сибирской равнине и на Дальнем Востоке.
   Болотный процесс характеризуется накоплением торфа на поверхности почвы и оглеением ее минеральной части. Возникновение и развитие болотного процесса связано с постоянным избыточным увлажнением. На избыточно увлажненной почве поселяется влаголюбивая растительность, способная задерживать и накапливать влагу (кукушкин лен, сфагновые мхи). При избытке влаги в почве содержится мало воздуха, что влияет на состав и численность микроорганизмов. В этих условиях растительные остатки разлагаются очень медленно, поэтому часть из них остается в полуразложившемся состоянии. Постепенно на поверхности заболачивающейся почвы образуется торф.
   Накопление торфа – основная особенность болотного почвообразовательного процесса. Торф представляет собой сложный комплекс продуктов разложения растений в виде остатков растительных тканей, различных промежуточных продуктов разложения растений, гумусовых и минеральных веществ.
   Причинами заболачивания суходольных территорий могут быть: а) превышение количества осадков над испарением вследствие накопления в почве органического вещества в форме перегноя и растительных остатков; б) неумеренный выпас скота, приводящий к разрушению дернины, уплотнению почвы и уменьшению стока воды; в) уничтожение леса, приводящее к снижению испарения влаги; г) близкое залегание грунтовых вод или выход их на поверхность. Заболачивание развивается в понижениях рельефа, а также на равнинных участках с тяжелым механическим составом почв (пород) или в тех случаях, когда малопроницаемый для воды водоупорный слой находится под толщей почвы.
   Свойства болотных почв зависят главным образом от типа водного питания и степени минерализации вод. Грунтовое заболачивание происходит при поступлении грунтовых вод, как правило, минерализованных. Поверхностное заболачивание протекает в условиях избыточного увлажнения атмосферной влагой.
   При заторфовывании водоемов происходит постепенное заполнение их чаши полуразложившимися органическими остатками. Нарастание массы торфа на месте бывшего водоема приводит к образованию верхового болота после прохождения стадий низинного и переходного болот.
   В профиле болотных почв выделяются следующие горизонты:
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– очес, представляющий собой живые части болотных растений;
   Т – торфяной, в котором в зависимости от степени разложения растительных остатков могут быть выделены торфяной (степень разложения – до 25 %), перегнойно-торфяной (степень разложения – от 25 до 45 %) и перегнойный (степень разложения – более 45 %) горизонты;
   G – глеевый, разной степени выраженности, характерен для болотных почв, в которых он подстилает торфяной горизонт;
   С – материнская порода.
   По степени проявления болотного почвообразовательного процесса болотные почвы подразделяют на два типа: болотные верховые и болотные низинные. В отличие от минеральных почв, болотные имеют торфяной горизонт. Поэтому свойства болотных почв определяются составом и свойствами торфа, условия формирования которого неодинаковы для болот различного типа.
   Наиболее благоприятен в агрономическом отношении торф низинных болот, который имеет высокую степень разложения, содержит достаточное количество элементов минерального питания и обладает слабокислой реакцией. Торф верховых болот – менее разложившийся, беден питательными веществами, сильнокислый; торф переходных болот занимает промежуточное положение.
//-- Серые лесные почвы лесостепной зоны --//
   Лесостепная зона расположена южнее таежно-лесной зоны, она простирается неширокой полосой, прерывающейся к востоку.
   Климат лесостепной зоны на западе умеренно теплый и достаточно влажный. К востоку континентальность климата возрастает. Средняя годовая температура воздуха изменяется с запада на восток от +7 до —4,5 °C. Продолжительность периода с температурой воздуха выше +10 °C колеблется от 144–159 дней на западе до 95—320 дней – на востоке. Годовое количество осадков уменьшается с запада на восток со 560 до 300 мм. Основная часть их (40–70 %) приходится на лето. Все выпадающие осадки почти полностью испаряются, вследствие чего нисходящий ток воды в почве отсутствует. Рельеф и почвообразующие породы в различных частях лесостепной зоны неодинаковы. На западе рельеф волнистый, с сильным и глубоким расчленением густой сетью рек и балок. Западно-Сибирская лесостепь расположена на плоской равнине с редкой речной сетью; здесь много неглубоких степных оврагов, часто заросших березой и осиной. К востоку от реки Оби лесостепь значительно расчленена, преобладает полого-увалистый рельеф.
   Наиболее распространенными почвообразующими породами в западной части зоны являются лёссы и лёссовидные суглинки, в центральной части зоны – бескарбонатные покровные и лёссовидные суглинки, на Западно-Сибирской равнине – глины. На востоке почвообразующие породы представлены карбонатным алювием разнообразных коренных пород.
   Растительность лесостепной зоны представлена травянистыми сообществами луговых степей в чередовании с широколиственными лесами, под пологом которых обильно развивается степная травянистая растительность. В лесостепной зоне под лесами преобладают серые лесные почвы, а под луговыми степями – черноземы. В Западной Сибири встречаются солончаки, солонцы и солоди.
   Формирование серых лесных почв происходит при одновременном течении подзолистого и дернового процессов, причем последний преобладает. Своеобразные условия почвообразования определяют и строение профиля серых лесных почв, в котором на целинных участках четко выделяются следующие горизонты:
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– лесная подстилка, состоящая из опада древесных пород и остатков травянистых растений, мощностью 2–4 см;
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– гумусово-аккумулятивный, серой окраски различной интенсивности, комковато-ореховой структуры, мощностью 15–20 см и более;
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– гумусово-элювиальный, или оподзоленный, белесоватой окраски, мощностью 10–15 см;
   В – иллювиальный, коричневато-бурой окраски, плотного сложения;
   С – материнская порода.
   Серые лесные почвы характеризуются комковато-ореховой структурой и наличием карбонатов в нижней части профиля.
   Водно-физические свойства серых лесных почв в большой степени зависят от содержания гумуса и механического состава материнских пород. Верхние горизонты почвы имеют высокую пористость (50–60 %), однако иллювиальные горизонты значительно уплотнены, что ухудшает их водопроницаемость и аэрацию. Вследствие слабой водопрочности структуры этих почв при обработке они могут сильно распыляться, а нередко – «заплывать» и образовывать почвенную корку.
//-- Черноземы степной и лесостепной зон --//
   Черноземные почвы расположены южнее зоны серых лесных почв. Климат зоны развития черноземов изменяется от умеренно теплого и влажного на западе до умеренно холодного и сухого – на востоке. Средняя годовая температура воздуха с запада на восток колеблется от +10 до 0 °C. На западе продолжительность вегетационного периода составляет 140–180 дней, на востоке – 140 дней. Годовое количество осадков на европейской части равно 500 мм, на востоке – 300 мм. Основная часть осадков выпадает во второй половине теплого периода. Интенсивное испарение влаги и недостаточное количество осадков обусловливают неглубокое (до 150–300 см) промачивание почвы.
   Рельеф зоны характеризуется плавной сменой равнинных форм слабоволнистыми, с развитой сетью оврагов, балок и речных долин.
   Почвообразующие породы этой зоны в основном карбонатные. Они представлены преимущественно лёссами, лёссовидными суглинками и глинами. Мелкозернистость большинства почвообразующих пород способствует интенсивному проявлению водной и ветровой эрозии.
   Растительность лесостепной зоны характеризуется чередованием лесных участков с луговыми степями. В луговых степях произрастают различные виды злаковых и бобовых трав. Растительность степной зоны представлена разнотравно-ковыльными разновидностями.
   Ведущим процессом почвообразования при формировании черноземов является процесс аккумуляции гумуса, способствующий развитию мощного гумусного горизонта и накоплению элементов питания растений и оструктуриванию профиля.
   Богатство растительных остатков белковым азотом и кальцием и периодическое высушивание обусловливают направленность процесса гумификации почвы.
   В почвенном профиле черноземов выделяют следующие горизонты:
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– степной войлок мощностью до 3–5 см (на пахотных землях отсутствует);
   А – гумусовый, равномерной темно-серой или черной окраски, зернистой или мелкокомковатой структуры, высокой водопрочности, рыхлого сложения, мощностью 30–60 см;
   АВ – переходный гумусовый, содержание перегноя постепенно уменьшается с глубиной, окраска серая и темно-серая с буровато-палевым оттенком, корней растений мало, структура комковатая. Граница горизонта – на глубине 80—120 см;
   В – переходный к материнской породе, неоднороден из-за включений перегноя в форме буро-черных языков, структура крупнокомковатая или ореховато-призматическая, отмечается скопление карбонатов;
   С – материнская порода.
   Черноземы характеризуются мощным почвенным профилем, глубоко растянутым гумусовым слоем, водопрочной зернистой или мелкокомковатой структурой, слабым разделением почвенной толщи, наличием множества ходов роющих животных, а также карбонатно-иллювиального горизонта, который залегает ниже гумусового слоя.
   Черноземы обладают лучшими среди всех почв физическими свойствами. Зернистая и зернисто-комковатая структура верхних горизонтов обусловливает хорошую воздухо– и водопроницаемость почв, так как пористость их достигает 55–60 %. Высокое содержание органического вещества способствует рыхлому сложению почв при большой плотности гумусового слоя и высокой их влажности.
   Типичные черноземы образовались под ковыльно-разнотравными степями. Они обладают наилучшими свойствами и имеют характерное строение профиля, присущее для почв черноземного типа.
   Обыкновенные и южные черноземы развиваются в условиях более засушливого климата под степной типчаково-ковыльной растительностью. Они имеют меньший по мощности, чем у типичных черноземов гумусовый горизонт. Скопление карбонатов отмечается непосредственно под гумусовым слоем. Эти почвы обладают слабощелочной реакцией и признаками солонцеватости.
//-- Каштановые и бурые зоны сухих, полупустынных и пустынных степей --//
   Зона сухих и пустынных степей расположена южнее черноземной зоны. Зональный тип почв сухих степей – каштановые, а расположенных южнее пустынных степей – бурые степные.
   Климат зоны каштановых и бурых почв резко континентальный, с сухим и жарким летом и малоснежной холодной зимой. Средняя годовая температура воздуха изменяется с запада на восток от 5–9 до 2–7 °C. Продолжительность периода с температурой выше +5 °C составляет на западе зоны 215–225 дней, на востоке – 150–160 дней. Безморозный период длится соответственно от 180–190 до 120 дней. Сумма температур воздуха выше +10 °C колеблется от 3300–3500 °C на западе до 1600–2100 °C на востоке. Осадков выпадает мало: на севере зоны – 350–400 мм, в центральной части – 320–350 мм и на юге – около 250–300 мм; в восточных районах количество осадков составляет 200–300 мм. Основная часть их выпадает летом, в Забайкалье – летом и осенью. Испаряемость в 3–5 раз превышает количество выпадающих осадков.
   Почвообразующими породами в зоне каштановых и бурых почв на западе являются преимущественно лёссы и лёссовидные суглинки, в Заволжье – лёссовидные суглинки и глины.
   Растительность зоны бедна в видовом отношении и характеризуется низкорослостью и изреженностью травостоя. Она представлена типчаково-ковыльными, типчаково-полынными, пырейно-разнотравными и ковыльно-разнотравными видами.
   Каштановые почвы формируются в результате степного почвообразовательного процесса под изреженной полынно-ковыльно-типчаковой растительностью. Поэтому гумуса в почве содержится мало, а образующаяся структура обладает невысокой водопрочностью. В профиле каштановых почв выделяют следующие горизонты:
   А -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– степной войлок мощностью 2–3 см;
   А – гумусовый, каштанового цвета, структура комковатая или комковато-пылеватая, мощностью до 30 см;
   В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– переходный гумусовый, более светлой окраски с буроватым оттенком, структура комковато-призматическая, оканчивается на глубине 35–50 см;
   В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– горизонт гумусовых затеков, окраска неоднородная, структура призматически-комковатая;
   С – материнская порода светло-палевого цвета.
//-- Сероземные почвы предгорно-степной зоны --//
   Сероземные почвы распространены в пустынных степях. Климат зоны континентальный, сухой и жаркий, с мягкой теплой зимой. Средние температуры января составляют +2 – +5 °C, июля – +26 – +30 °C. Продолжительность периода с температурой выше +10 °C достигает 170–245 дней, а сумма температур за этот период – 3400–5400 °C. Количество осадков изменяется с высотой местности: в предгорьях – 100–250 мм, а в горах – 450–600 мм. Основная часть осадков выпадает зимой и весной. Испаряемость составляет 1350 мм. По обеспеченности теплом и влагой зона относится к сухим субтропикам.
   Рельеф зоны представлен предгорными покатыми равнинами, которые по мере приближения к горам переходят в холмистые предгорья.
   Почвообразующие породы – в основном лёссы и лёссовидные суглинки, часто подстилаемые галечниками. В предгорье Кавказа преобладают тяжелосуглинистые, глинистые, местами сильнощебенчатые породы.
   Процесс образования сероземов проходит в особых условиях гидротермического режима, который обеспечивает цикличность биологических процессов. В теплый весенний период при обилии влаги травянистые растения развиваются наиболее бурно. Одновременно активизируется деятельность богатой почвенной микрофлоры и почвенных животных, которые значительно влияют на строение почвенного профиля и распад растительных остатков. Ко времени наступления жаркого и сухого лета, когда биологические процессы утихают, органическое вещество почти полностью минерализуется. Это объясняет бедность сероземов гумусом. В сухое время года происходит подтягивание к поверхности карбонатов и легкорастворимых солей. Зимой и весной профиль почв опресняется вследствие выпадения осадков. Профиль сероземов имеет следующие горизонты:
   А – перегнойно-кумулятивный, различной интенсивности, серой окраски с палевым оттенком, структура неясно комковатая, отмечаются следы интенсивной деятельности почвенной фауны, переход в следующий горизонт слабо заметен, мощностью до 15–18 см;
   В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– переходный, светлый, структура мелкокомковатая, отмечается обилие ходов и камер землероек, иногда со следами карбонатной плесени, оканчивается на глубине 40–60 см и более;
   В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– иллювиально-карбонатный, серо-палевой окраски, рыхловатый, отмечается обилие известковых выделений в виде белоглазки и конкреции;
   С – материнская лёссовидная порода палевого цвета, содержит отложения карбонатов.
   Механический состав сероземов изменяется от легко– до тяжелосуглинистого, но в пределах профиля он остается сравнительно однородным. Сероземы содержат 40–50 % прочных микроагрегатов, поэтому обладают хорошей пористостью (50–60 %) и высокой капиллярностью. При близком залегании грунтовых вод это ведет к развитию солончакового процесса, сопровождающегося накоплением легкорастворимых солей во всем почвенном профиле.
//-- Почвы сухих и влажных субтропиков --//
   Почвы сухих субтропиков представлены на территории России серо-коричневыми почвами.
   Серо-коричневые почвы распространены на равнинах предгорий и низкогорий. Формируются они под травянистой и кустарниковой растительностью в субтропическом климате, с короткой влажной зимой и продолжительным сухим летом (сумма температур выше +10 °C составляет 4000–4200 °C).
   Эти почвы отличаются серым (от темного до светлого) цветом гумусовых горизонтов с коричневым оттенком, невысоким содержанием гумуса, сравнительно большой мощностью гумусовых грунтов, орехово-комковатой структурой, наличием хорошо выраженного иллювиально-карбонатного горизонта. Реакция в верхних горизонтах слабощелочная, с глубиной щелочность увеличивается. Тип серо-коричневых почв подразделяют на подтипы: темные серо-коричневые, обыкновенные серо-коричневые и светлые серо-коричневые.
   Коричневые почвы распространены на Черноморском побережье к северу от Туапсе. Они имеют значительный по мощности (до 60–70 см и более) и хорошо выраженный темный серовато-коричневый гумусовый профиль с содержанием гумуса 4–6 %, благоприятные физико-химические свойства, близкую к нейтральной реакцию в верхних горизонтах и щелочную – в карбонатных.
   Коричневые почвы делят на три подтипа: коричневые выщелоченные. коричневые типичные и коричневые карбонатные.
   Развиваются коричневые почвы под растительным покровом сухих лесов при более значительном осенне-зимне-весеннем увлажнении, чем серо-коричневые почвы.
//-- Солончаки, солонцы и солоди --//
   Солончаки, солонцы и солоди, хотя и занимают значительные площади в почвенном покрове нашей страны, но не образуют самостоятельной почвенной зоны. Они распространены в комплексе с другими почвами в виде отдельных замкнутых контуров и пятен.
   Солончаки распространены в Прикаспийской и Западно-Сибирской низменностях. Солонцы встречаются в зонах черноземных, каштановых, бурых пустынно-степных почв и сероземов. Солоди чаще относятся к лесостепной и степной зонам.
   Солончаками называют почвы с повышенным содержанием водорастворимых солей (1–2 % и более), подавляющих рост большинства растений. Наиболее вредными для растений являются соли Na -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, NaHCO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, MgCl -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, NaCl и особенно сода Na -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

CO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Солончаки образуются главным образом при выпотном (влагоиспаряющемся) типе водного режима, когда испарение в несколько раз превышает количество влаги, поступающее с атмосферными осадками. Такой режим чаще складывается в условиях засушливого климата при близком залегании минерализованных грунтовых вод.
   В результате в верхней части профиля почвы накапливаются соли. Этому же способствуют ветер и осадки, переносящие соли на значительные расстояния; солелюбивая растительность, надземные органы которой богаты минеральными соединениями; остаточное засоление материнских пород, возникшее при высыхании соленых озер.
   Солончаки нередко развиваются в районах орошаемого земледелия в результате неправильного поливного режима. При чрезмерном увлажнении полей резко повышается уровень грунтовых вод, что ведет к быстрому засолению культурных земель.
   Засоление поливных земель, возникшее в результате неправильного орошения, называется первичным, а образовавшиеся солончаки – вторичными или ирригационными. Почвы, подвергшиеся вторичному засолению, часто полностью выпадают из сельскохозяйственного оборота. Это пример экологически неверного использования почвы.
   Солонцами называют почвы, в которых солевой горизонт расположен низко, выражен процесс иллювинирования коллоидов, а в составе поглощенных оснований преобладают натрий и магний. Максимум водорастворимых солей находится в нижней части профиля, верхние горизонты практически от них свободны.
   Солонцы образуются при рассолении солончаков в условиях большого количества натриевых солей и периодического промачивания почвы.
   Солонцы имеют плохие физические свойства. Во влажном состоянии они набухают, плохо пропускают влагу, становятся вязкими и липкими, а при высыхании оседают, образуя микропонижения, и настолько уплотняются, что с трудом поддаются вспашке.
   Солоди сравнительно широко распространены в лесостепной и степной зонах, встречаются также среди других почв сухих и пустынных степей. Они формируются в подах, западинах, лиманах, которые нередко заняты осиновыми кустами, березовыми колками или травянистыми растениями. На их долю приходится около 0,5 % площади пашни. Солоди обладают плохими физическими свойствами: слабой водопроницаемостью, бесструктурностью; они образуют глыбистую поверхность при вспашке и заплывают при увлажнении.
//-- Сельскохозяйственное использование почв --//
   Почвы арктической зоны используются как летние оленьи пастбища.
   Зона тундры традиционно является территорией развитого оленеводства и охотничьего промысла. Промышленное освоение природных богатств тундры ставит важную задачу – развитие северного земледелия.
   Наиболее благоприятны для земледелия почвы на легких породах (песках, супесях) в долинах рек, а также более теплые почвы на южных склонах. Осваиваются и болотные почвы, особенно с торфом значительной степени разложения и минерализованности.
   Для освоения почв тундры необходимо проводить мелиоративные мероприятия, направленные на устранение избытка влаги, улучшение условий аэрации и прогревания почвы, т. е. осушение, частое рыхление почвы, углубление пахотного горизонта, гребневую посадку культур, задержание снега, предохраняющего почву от глубокого промерзания зимой.
   Главным приемом повышения плодородия и биологической активности тундровых почв является внесение больших доз органических и минеральных удобрений. На почвах с повышенной кислотностью необходимо проводить мелиоративные работы с внесением удобрений.
   Таежно-лесная зона в сельскохозяйственном отношении освоена слабо. Здесь имеются большие возможности для дальнейшего расширения земледелия и развития животноводства. Климатические условия зоны позволяют получать высокие урожаи зерновых, технических и кормовых культур.
   Наибольшей освоенностью отличаются территории традиционной земледельческой культуры – западные и южные районы европейской части России. Резервы для использования под пашню здесь весьма значительны. Эти почвы богаты гумусом, и их использование позволяет получать высокие урожаи.
   В предгорной зоне, где годовое количество осадков достигает 300–500 мм, важное значение приобретает накопление и рациональное использование влаги.
   Интенсивное земледелие в зоне сухих субтропиков (на красноземах и желтоземах) возможно только при систематическом внесении больших доз органических и минеральных удобрений. Известкование на красноземах и желтоземах требуется только при возделывании не переносящих кислой реакции культур. Большое значение имеют мероприятия, направленные на борьбу с водной эрозией.
   Почвы речных пойм являются наиболее ценными луговыми угодьями. Высокое потенциальное плодородие почв притеррасной поймы проявляется только при проведении их культивации. Благоприятны они для возделывания наиболее требовательных к влаге и минеральному питанию растений, таких, как овощные, картофель, корнеплоды, сеяные травы.
   Для освоения этих почв требуются осушение, удаление кочек, уничтожение кустарников, правильная обработка, внесение минеральных и микроудобрений.
   Солончаки и сильно засоленные почвы в неорошаемых условиях отводят в основном под пастбища. Возделывание культур на этих почвах возможно только после проведения сложных и дорогостоящих мелиоративных мероприятий. Важнейшими из них являются промывка пресными водами для удаления излишков солей, понижение уровня грунтовых вод устройством дренажа, посев солевыносливых культур, предупреждение вторичного засоления, применение соответствующей обработки почв и удобрений.
   Вовлечение солонцов в земледелие возможно только при проведении специальных мероприятий, направленных на удаление натрия из поглощенного состояния путем внесения гипса и последующего глубокого увлажнения, на улучшение физических свойств и нейтрализацию щелочной реакции.
   При освоении солодей рекомендуется проводить следующие агротехнические мероприятия: глубокую вспашку, при необходимости – известкование малыми дозами, внесение органических и минеральных удобрений, землевание, т. е. покрытие солодей перегнойным слоем почвы соседних участков.
   Система агротехнических мероприятий, обеспечивающая повышение урожайности, должна быть разработана с учетом почвенного картографирования.
   На почвенные карты наносятся типы и виды почв, их механический состав, основные агрохимические характеристики. Для производственных целей в дополнение к почвенной карте составляют специальные картограммы (картосхемы), на которых отмечают потребность почв в извести, удобрениях, степень их засоленности, подверженность водной и ветровой эрозии. Агрохимическое обследование почв и составление картосхем (картограмм) проводятся периодически, примерно один раз в пять лет.
   Почвенная карта сопровождается почвенным очерком или пояснительной запиской, содержащей подробную агропроизводственную характеристику почв хозяйства и рекомендации по лучшему их использованию.
   Почвенная карта необходима при планировании севооборота, для установления сроков и последовательности полевых работ на разных полях, определения нагрузки на трактора с учетом механического состава почв и проведения мелиоративных мероприятий (известкование, гипсование и др.).
   Относительная оценка почв по их производительности называется бонитировкой почв (от лат. вonitas – добротность). При бонитировке ценность почв выражается в баллах, которые характеризуют добротность одной почвы относительно другой по ее свойствам и плодородию.
   Для повышения плодородия почв первостепенное значение имеет применение органических и минеральных удобрений, особенно азотных и фосфорных. На сильно– и среднекислых почвах необходимо проводить известкование. Это снижает кислотность, повышает насыщенность почвы щелочами, увеличивает емкость поглощения, улучшает структуру, а следовательно, и физические свойства почвы. Кроме того, важное значение имеет постепенное углубление пахотного слоя, освоение севооборотов с посевом в них бобовых и других многолетних трав. На переувлажненных почвах следует применять закрытый и открытый дренаж, специальную вспашку, гребневую посадку культур, глубокое рыхление почвы и т. д.
   Болота в естественном состояния являются низкопродуктивными земельными угодьями. Однако болотные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, которое в полной мере проявляется при осуществлении комплекса мелиоративных и агротехнических мероприятий, таких, как осушение дренажом с системой режима увлажнения; раскорчевывание и очистка территории от пней, кустарников, кочек с помощью планировки; правильная обработка почвы (вспашка, фрезерование, дискование, прикатывание и др.); освоение севооборотов с посевом многолетних и однолетних трав; применение минеральных удобрений.
   Из минеральных удобрений на почвах низинных болот наиболее эффективны фосфорные и калийные. При освоении верховых болот, почвы которых сильнокислые и обедненные питательными элементами, дополнительно вносят известь и азотные удобрения. Кроме того, болотные почвы хорошо реагируют на микроудобрения и бактериальные препараты.
   Серо-лесные почвы хорошо реагируют на различные виды органических и минеральных удобрений. Почвы с повышенной кислотностью и слабо насыщенные основаниями нуждаются в известковании. Небольшая мощность гумусового горизонта приводит к необходимости углубления пахотного слоя припахиванием оподзоленного горизонта. Для улучшения водно-физических свойств серо-лесных почв требуется проведение системы следующих мероприятий: посев многолетних трав, своевременная обработка, глубокое рыхление, уничтожение почвенной корки, накопление и сохранение влаги.
   Для борьбы с водной эрозией необходимо создавать лесные полосы, увеличивать площади под многолетними травами, обрабатывать почвы поперек склонов.
   Черноземные почвы обладают высоким потенциальным плодородием. По производству продуктов растениеводства и животноводства черноземная зона занимает ведущее положение.
   Отличаясь высоким плодородием, черноземы содержат мало легко доступных для растений питательных веществ. Поэтому необходимо применять удобрения, а также активизировать в почве деятельность почвенной микрофлоры. Из минеральных удобрений первостепенное значение имеют фосфорные и азотные удобрения.
   Для улучшения агрофизических свойств черноземов следует восстановить их утраченную структуру и сохранить природную. Достигается это освоением севооборотов, посевом многолетних трав, внесением различных органических удобрений, правильной обработкой почвы и т. д.
   Борьбу с водной и ветровой эрозией ведут путем специальной обработки почв (применение безотвальных орудий с оставлением стерни на поверхности, полосное размещение культур), освоения противоэрозионных севооборотов, посадки полезащитных лесных полос, обработки склонов, облесения вершин оврагов и балок. Особо важное значение противоэрозионные мероприятия имеют для южных черноземов.
   Основными путями повышения плодородия и рационального использования каштановых и бурых почв являются:
   1) улучшение водного режима с помощью системы агротехнических мероприятий (чистые пары, глубокая обработка, снегозадержание) и искусственного орошения;
   2) улучшение физических свойств солонцеватых почв и находящихся с ними в комплексе пятен солонцов посредством правильной обработки и химической мелиорации;
   3) борьба с ветровой эрозией (полезащитное лесоразведение, безотвальная обработка почвы, полосное земледелие, посев многолетних трав, использование искусственных структурообразователей);
   4) внесение органических и минеральных удобрений, особенно в условиях орошения;
   5) дальнейшее развитие пастбищного животноводства на базе широкого обводнения территорий в районах, где земледелие ограничено.
   Интенсивное земледелие в зоне сероземов предгорий пустынно-степной зоны возможно при осуществлении следующих мероприятий: искусственного орошения сельскохозяйственных культур; внесения органических и минеральных удобрений; сохранения и улучшения агрофизических свойств почвы, освоения севооборотов.
   Повышение плодородия почвы является и экологической проблемой, и одной из основных задач обеспечения выживаемости человечества.

2.8. Эрозия почв

   При нарушении естественного растительного покрова под воздействием ветра и атмосферных осадков происходит разрушение верхних горизонтов почвы. Это явление получило название эрозии почвы. При этом почва теряет мелкие частицы и изменяет свой химический состав. Из почв выносятся важнейшие химические элементы, поэтому в химическом составе ветровой пыли часто больше гумуса, азота, фосфора, чем в эродированной почве. Мелкие частицы почвы переносятся ветром главным образом на высоте нескольких сотен метров; дальность их переноса составляет обычно сотни, а иногда тысячи километров. Более мелкие частицы (0,011—0,001 мм) могут переноситься на 5–7 тыс. км и более.
   Скорость осаждения частиц пыли из воздуха зависит от их размеров. Обычно выдуванию подвергаются рыхлые, плохо закрепленные почвы теплых зон Земли, поэтому воздушные массы, поступающие из этих районов, несут значительное количество пыли. Ветры пустынь всегда сопровождаются запылением атмосферы. Развевание почвенного покрова в значительной мере порождено уничтожением растительности на территории с недостаточной атмосферной увлажненностью. Пустыни и полупустыни Центральной и Передней Азии, Северной Африки своим образованием обязаны скотоводству. То, что не могло быть съедено стадами овец, верблюдов, лошадей, было вырублено и сожжено скотоводами. Не защищенная после уничтожения растительности почва подверглась распылению, выдуванию и опустыниванию. Буквально на глазах нескольких поколений аналогичный процесс опустынивания вследствие непродуманного овцеводства охватил многие районы Австралии. Ветровая эрозия почв – это один из наиболее ярких примеров последствий хозяйственной деятельности человека. В настоящее время опустынивание почв стало одной из самых главных экологических проблем.
   В результате частичного развевания почва теряет с каждого гектара десятки тонн гумуса и значительное количество элементов питания растений, поэтому урожайность на эродированных ветром полях заметно снижается. Каждый год из-за эрозии почв забрасываются миллионы гектаров земель во многих странах Азии, Африки, Центральной и Южной Америки. Этот тревожный факт особенно настораживает в настоящее время в связи со значительным увеличением населения земного шара. Ветровая эрозия почв представляет опасность также для ряда районов нашей страны. Особенно опасны так называемые черные бури, которые возникают при скорости ветра 10–12 м/с, но наибольшей интенсивности достигают при скорости 15–20 м/с.
   К настоящему времени выявлены площади, пораженные ветровой эрозией, а также территории, которые могут быть поражены ею в процессе хозяйственного освоения.
   Разрушение почвенного покрова происходит не только в результате развевания, но и под действием текучих вод. Атмосферные осадки сопровождаются смывом мелких частиц с поверхности почвы, а при ливневом характере дождей – сильным разрушением всей почвенной толщи с образованием промоин и оврагов.
   Растительность, особенно лесная, задерживает сток атмосферных осадков. Травянистая растительность задерживает до 15–20 % выпадающих осадков, кроны деревьев – еще больше. Особо важную роль играет лесная подстилка, которая полностью нейтрализует ударную силу дождевых капель и резко снижает скорость текущей воды. Сведение лесов и уничтожение лесной подстилки вызвало усиление в 2–3 раза поверхностного стока за счет сокращения внутрипочвенного стока и питания грунтовых вод. Усиленный поверхностный сток повлек за собой смыв верхней части почв, наиболее богатой гумусом и элементами питания, а также способствовал энергичному образованию оврагов. Условия для водной эрозии создавали распашка обширных степей и низкая культура земледелия. Смыв почвы обычно усиливается из-за неправильной обработки почвы, явлений линейной эрозии, размыва почв и почвообразующих пород в результате роста оврагов. Масса смываемой почвы в районах земледелия весьма значительна и составляет от 9 т/га до десятков тонн с каждого гектара. Количество органических веществ, смываемых на протяжении года со всей суши нашей планеты, составляет около 720 млн т.
   Кроме ветровой и водной эрозии, в настоящее время, к сожалению, на почве возник новый вид эрозии – химическая. Загрязнение почвы промышленными антропогенными отходами приводит, с одной стороны, к снижению площади полезных сельскохозяйственных угодий, а с другой – к нанесению вреда здоровью человека и животных за счет ухудшения качества сельскохозяйственной продукции. При этом основными вредными веществами, загрязняющими почву, являются соли тяжелых металлов; продукты нефтепереработки; излишки пестицидов и химических удобрений; поверхностно-активные моющие средства; вещества, выпадающие на Землю вместе с кислотными дождями; радиоактиваная пыль.
   К предупредительным антиэрозионным мероприятиям относятся экологически и агротехнически правильная организация сельскохозяйственных угодий с сохранением на крутых склонах лесных насаждений, правильная вспашка (с направлением борозд поперек склонов), регулирование выпаса скота, укрепление прочности почвенной структуры посредством использования рациональной агротехники.
   Наиболее эффективными мероприятиями для борьбы с последствиями эрозии являются создание полезащитных лесных полос, в которых к тому же гнездятся птицы, уничтожающие полевых вредителей; строительство различных инженерных сооружений для задержания поверхностного стока – плотин, запруд в оврагах, водозадерживающих валов и канав; устранение причин и последствий химического загрязнения почвы. Систематическая борьба с ветровой, водной и химической эрозией почв – общенародная задача, экологически и экономически необходимая для сохранения почв и урожая в нашей стране.

2.9. Полевое исследование почв

   Целью исследования почв является изучение методов оценки качества почв и их определение по морфологическим признакам.
   Исследования включают три обязательных этапа: подготовительный, полевой и камеральный. Основная часть времени отводится на полевые исследования, во время которых производятся описания почвенных разрезов соответствующей ландшафтной обстановки и фиксируются полевые наблюдения. Непосредственно в поле реализуется сравнительно-географический метод изучения почв, являющийся основой почвенного профилирования и картографирования.
   В процессе камеральной обработки полевых материалов обрабатываются записи в полевых дневниках, бланках описаний, обобщаются полевые наблюдения, составляются и вычерчиваются почвенный профиль и почвенная карта.
   Задачи подготовительного этапа исследования почв:
   1. Ознакомление с программой и базой полевых работ (в том числе приборного парка), а также подготовка необходимого оборудования, снаряжения, справочного и бланкового материала.
   2. Инструктаж по технике безопасности (ТБ) при работе в полевых условиях.
   3. Рекогносцировочное обследование места проведения практики.
   4. Составление плана местности.
   Задачи полевого этапа исследования почв:
   1. Проложение маршрутной профильной линии.
   2. Выбор мест для заложения почвенных разрезов с учетом особенностей рельефа, растительности, заболоченности местности.
   3. Привязка разрезов к местности по ближайшим ориентирам.
   4. Нанесение на план маршрутной профильной линии местоположения разрезов с соответствующим номером.
   Изучение почв в полевых условиях также включает в себя:
   – ознакомление с внешними признаками почв по маршрутной профильной линии, заложение почвенных разрезов с учетом существующих правил;
   – изучение структуры почвенного профиля;
   – выделение генетических горизонтов и измерение их мощности;
   – зарисовка почвенного разреза в полевом дневнике;
   – морфологическое описание каждого горизонта: его цвета, окраски, влажности, структуры, сложения, механического состава, новообразований, включений, корневой системы растений, характера перехода к нижележащему горизонту.
   Описание горизонтов производится в специальных журналах и на бланках наблюдений.
   Определение (диагностика) почв по данным морфологического анализа почвенного профиля проводится, в частности, по реакции почвы с применением универсального индикатора. Определение наличия карбонатов в почве проводится с помощью соляной кислоты (так называемое вскипание). Затем проводятся отбор почвенных образцов и монолитов для выполнения лабораторных анализов и подготовка их к отправке в лабораторию.
   В ходе исследования выявляется и оценивается влияние хозяйственной деятельности человека на состояние почвы.
   Задачи камерального этапа исследования почв:
   1. Оформление плана профилируемого участка, журналов и бланков описания почвенных разрезов, а также составление, оформление и анализ почвенного профиля.
   2. Составление, оформление и анализ почвенного профиля.
   3. Составление почвенной карты, дающей общее представление о характере почвенного покрова профилируемого участка.
   В результате исследования почв разрабатываются практические выводы о состоянии почв и предложения по их рациональному использованию.
   Полевое изучение почвы позволяет определить ее строение и свойства, дать ее название по внешним признакам, а также провести отбор почвенных образцов для их изучения в базовом полевом лагере или в лабораторных условиях.
   Изучение морфологии почвы чаще всего проводится в специально выкопанных почвенных разрезах или на геологических обнажениях. Наиболее полно и точно изучают почву в лаборатории, проводя различные анализы, требующие специального оборудования. Однако некоторые простейшие анализы, а также те из них, которые могут быть выполнены с помощью полевых портативных лабораторий, измерительных комплектов и приборов, выполняют в полевых условиях.
   Место для изучения почвы необходимо выбирать с учетом особенностей исследуемой территории и при этом иметь в виду, что почвы изменяются при смене рельефа, растительности, почвообразующих пород, увлажнения и других экологических факторов. На местности изменяются также экологические условия жизнедеятельности почвенных организмов. Прежде чем выбирать место для изучения почвы, надо установить, почву какого участка вы намереваетесь изучить (особенности склона, водораздела или днища долины, пашни или леса). Место для изучения должно находиться в центральной, а не в краевой части территории с характерными условиями. Оно не должно чем-либо выделяться на участке, здесь не должно быть каких-либо мелких повышений или понижений рельефа, дороги (или даже тропинки) – ничего, что могло бы придать почве особые черты, сделав ее нетипичной для тех условий, которые были избраны.
   Для отбора почвенных образцов и монолитов существуют правила, которые приведены в действующих государственных стандартах. Чтобы избежать наиболее трудных случаев, связанных с недостаточностью почвенного материала, отбором проб в неподходящих местах, неправильной обработкой проб, их непригодностью к дальнейшему анализу и т. п., организатору полевых работ необходимо ответить на несколько вопросов, в том числе на следующие:
   1. Являются ли изучаемые участки однородными и насколько полно они представляют изучаемую, в целом неоднородную, территорию?
   2. По каким показателям предполагается анализировать пробы почвы и сколько их для этого необходимо отобрать?
   3. В каких конкретно местах и с какой глубины предполагается взятие образцов?
   4. Имеется ли у исследователя достаточно почвенного материала, чтобы при необходимости повторить анализ (например, если эксперимент окажется неудачным)?
   5. Будет ли проводиться обработка проб на месте их отбора либо в базовом лагере и что для этого необходимо (оборудование, время, человеческие возможности и т. д.)?
   6. Имеется ли у исследователя достаточное количество упаковочного материала для транспортировки образцов в лабораторию?
   Недоучет возможных проблем, связанных с последующей обработкой и анализом проб в лабораторных условиях, может поставить под угрозу достижение целей оценки экологического состояния изучаемой почвы, так как воссоздать полевые условия по возвращении из экспедиции или полевого выхода, как правило, не представляется возможным.
   Для идентификации почвенных горизонтов приняты специальные буквы и индексы. В настоящее время в нашей стране принята система обозначения генетических почвенных горизонтов, в основе которой лежит символика, предложенная В.В. Докучаевым, с дополнениями, сделанными в последую – щее время. Почвы подразделяют на несколько горизонтов, которые, в свою очередь, подразделяют на подгоризонты.
   Горизонты могут четко выделяться на почвенном профиле, но могут и слабо проявляться, а в каких-то случаях и отсутствовать. Это зависит главным образом от характера почвообразовательного процесса, возраста почв и материнских пород, а также степени антропогенного влияния на почву. Тем не менее каждому типу почв свойственно особое сочетание горизонтов.
   Почвенные горизонты различаются по цвету, структуре, плотности, гранулометрическому составу, новообразованиям и включениям, т. е. по признакам, которые могут быть определены непосредственно при изучении разреза. Они также могут различаться по химическому и минералогическому составу, физическим и физико-химическим свойствам, количеству и составу микроорганизмов, биохимической активности и по некоторым другим свойствам, которые можно изучить, как правило, только в лаборатории.
   Почвенный профиль и почвенные горизонты изучают на почвенных разрезах и обнажениях. Почвенный разрез – это специально выкопанная яма, которая позволяет увидеть строение всего почвенного профиля – от поверхности до почвообразующей породы (рис. 2.1).

   Рис. 2.1. Почвенный разрез

   На разрезе удобно выполнять описания почв, изучать их морфологические признаки, устанавливать границы между различными почвами, отбирать образцы для анализов. Глубина почвенного разреза определяется мощностью почвенного профиля, т. е. глубиной залегания нижних горизонтов почвы. Обычно считают, что почвообразующей породы достигли, когда в разрезе вскрывается однородная толща, не подразделяющаяся на различные по строению и составу горизонты. Форма почвенного разреза прямоугольная, ширина его обычно составляет 70–80 см, длина – 1,5–2,0 м в зависимости от глубины, которая, как правило, не превышает 1,5 м. Размеры почвенного разреза должны быть такими, чтобы исследователь мог удобно расположиться в разрезе и работать там. Одну из стенок, так называемую переднюю стенку, делают вертикальной. На ней ведут основное исследование почвенного профиля. На противоположной стенке делают ступеньки. Длинные стенки, называемые боковыми, используют для дополнительного исследования почвы.
   Разрез ориентируют таким образом, чтобы передняя стенка была хорошо освещена, т. е. она должна быть обращена к Солнцу.
   Результатами изучения почвенного разреза являются описание почвенных горизонтов и отбор проб почвы.
   При выполнении почвенного разреза необходимо обратить внимание на следующие рекомендации:
   – убедитесь в том, что копать безопасно; в земле должны отсутствовать кабели, канализационные и ирригационные сооружения, опасные предметы и др.;
   – копайте в таком месте, чтобы нанести минимальный вред корневым системам растений, особенно деревьев;
   – копайте не ближе трех метров от зданий, дорог, игровых и строительных площадок и других мест, где исследовательская работа может нанести ущерб территориям, примыкающим к хозяйственным объектам;
   – ориентируйте почвенный разрез таким образом, чтобы профиль был хорошо освещен: тогда его можно не только изучать визуально, но и фотографировать;
   – после изучения почвенного профиля (горизонта) или отбора почвенного образца вырытый грунт поместите обратно в яму.
   Естественные обнажения, часто встречающиеся на стенках свежих промоин оврагов, по берегам рек и в других местах, не могут заменить собой почвенные разрезы, так как они обычно привязаны к специфическим условиям рельефа и поэтому характеризуют только весьма ограниченные участки площади. Однако обнажения представляют собой очень ценный объект для почвенно-геологических наблюдений, так как позволяют видеть глубокие горизонты пород.
   В качестве почвенных разрезов может быть использовано большинство свежих искусственных выемок (открытых выработок для добычи различных ископаемых, строительных траншей, карьеров, котлованов и т. д.), если места их расположения являются типичными и важными для изучения почв данной территории.
   Окраска является характерным диагностическим признаком, позволяющим косвенно судить и о других свойствах почвы. Подтверждением этому служат названия типов почв, заимствованные от названия того характерного цвета, который несет на себе верхний гумусовый горизонт. По цвету верхнего почвенного горизонта или одного из горизонтов получили типовое название многие почвы мира – подзолистые, лесные, черноземы, каштановые, бурые, красноземы, желтоземы и т. д.
   Различие в цвете позволяет произвести первичное разделение профиля почвы на соответствующие горизонты. Определение цвета в поле всегда носит субъективный характер, так как зависит от способности исследователя воспринимать цветовые оттенки и разбираться в их тональности. Цвет почвенной массы в горизонте почти никогда не бывает чистым, он всегда сопровождается рядом сопутствующих тонов, придающих горизонту тот или иной оттенок.
   Цвет (окраску) определяют в естественном состоянии почвы или горизонта, не допуская возможных изменений, которые происходят за счет высушивания.
   В нормативных документах приведена стандартная шкала цветовых оттенков, которая позволяет объективно определить цвет почвенной массы. Все разнообразие окрасок в почве создается черным, белым и красным цветом. Их смешение в той или иной пропорции дает многообразную цветовую гамму оттенков и промежуточных тонов – серого, каштанового и др.
   Окраска позволяет судить не только о минералогическом и химическом составе почвенной массы, но и о направлении почвообразовательного процесса.
   Черная окраска почвы обусловлена содержанием гумуса и его качественным составом, так как не всякий гумус придает почвенным горизонтам темную окраску. Изменение темной окраски может наблюдаться в диапазоне от интенсивно-черной до белой.
   Белая окраска почвы обусловлена в основном минералогическим составом почвы и содержанием в ее массе кварца, карбонатов кальция, каолинита, глинозема, а также аморфной кремниевой кислоты, светлоокрашенных полевых шпатов и легкорастворимых солей. Чистые белые цвета в окраске генетических горизонтов практически не встречаются. Более светлая окраска присуща подзолистому горизонту А2, но, как правило, она изменяется от белесой до белесовато-светло-серой или белесовато-палевой. Чистый цвет дают белоснежные корочки и налеты солей на поверхности солончаков.
   Красная окраска почвы возникает при высоком содержании в ее составе оксидов железа.
   Для определения гранулометрического состава почвы применяется метод ее раскатывания в шнур.
   Перечень методов исследования почвы приведен в табл. 2.
//-- Таблица 2. Методы исследования почвы --//

Таким образом, полевое исследование почв позволяет не только определять их морфологические характеристики, но и оценивать экологическое состояние почв.

2.10. Экология и почвоведение

Почву необходимо рассматривать как объект природного наследия человечества. Почва является компонентом природно-антропогенного комплекса; она взаимодействует с воздушной средой, водами, биотой и объектами техногенной среды. Испытывая антропогенную нагрузку, почва изменяется и воздействует, прямо и косвенно, на все компоненты природно-антропогенного комплекса. Как и другие компоненты окружающей среды, почва испытывает не только антропогенную нагрузку, но и воздействие природных факторов, в первую очередь климатических. К их числу относятся воздействия температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, количества и качества осадков, уровня солнечной радиации, характера облачности. Экологические факторы влияют на протекание процессов почвообразования, развития и жизнедеятельности почвенных организмов, обмена энергией и массой, а следовательно, прямо и косвенно, на ее экологическое состояние (рис. 2.2).

   Рис. 2.2. Схема современного землепользования

   Для определения экологического состояния природной среды (в том числе почвы) проводятся ее единовременная оценка (ОВОС), а также постоянный по времени экологический мониторинг. Экологическая оценка состояния почвы заключается в проведении комплексных исследований биолого-почвенных, геоморфологических, геохимических, геофизических и других факторов и параметров ее состояния, а также в оцеке изменения этих свойств под влиянием антропогенной нагрузки.
   Качество почвы определяет ее потребительские свойства и возможность использования человеком почв или территорий, а также необходимость проведения восстановительных мероприятий.
   Экологическая оценка состояния почвы проводится с учетом следующих факторов:
   – антропогенной нагрузки на почву и на все ее компоненты;
   – нарушений почвы, ее взаимосвязей и взаимовлияний на другие компоненты природно-антропогенного комплекса, обусловленных антропогенной нагрузкой и природными явлениями;
   – способности почвы к текущему и последующему воспроизводству питательных веществ, морфологических структур, биоразнообразия, биотических связей и др.;
   – экологических проблем, связанных с ухудшением состояния почвы.
   Оценка экологического состояния почвы связана с вопросами оценки состояния животного и растительного мира, а также среды обитания человека. Для оценки экологического состояния почвы необходимо исследование ее как в целом, так и по компонентам – почвенных воздуха и раствора, химического состава, чужеродных и естественных включений, почвенной биоты и других экологических свойств. Если при этом не учитывать какие– либо экологические свойства почвы, то вероятна опасность ошибочной оценки ее состояния.
   В отличие от оценки состояния воздушной и водной сред, оценка экологического состояния почвы представляет собой более сложную задачу по следующим причинам.
   Во-первых, почва – сложный объект исследования, который «живет по законам и живой природы, и минерального царства» (В.И. Вернадский).
   Во-вторых, почва – многофазная система, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов; при этом на нее оказывают постоянное влияние физические почвенные процессы (перенос влаги, испарение и т. д.).
   В-третьих, опасные, загрязняющие почву химические элементы – токсиканты (ртуть, кадмий, мышьяк, селен и др.) – являются природными составляющими горных пород и почв. В почву они поступают из естественных и антропогенных источников, а при проведении экологического мониторинга обычно требуется оценка влияния лишь антропогенной составляющей. Причем диапазон встречающихся значений содержания химических веществ в почве настолько широк, что бывает трудно установить степень превышения в них исходного (фонового) уровня содержания химических веществ.
   В-четвертых, поступление в почву различных химических веществ антропогенного происхождения происходит практически постоянно.
   Оценка качества почвы приобретает характер мониторинга при проведении наблюдений во времени, обобщении результатов и прогнозе состояния почв на будущее. Хозяйственная деятельность человека, осуществляемая без учета интересов охраны окружающей среды, приводит к загрязнению почв. В результате добычи каменного угля, нефти и других полезных ископаемых почва загрязняется отходами производства и теряет свои плодородные свойства.
   Загрязнение почв происходит и от выброса промышленных отходов в атмосферу. Химические вещества, попадая в почву с осадками кислотных дождей, служат причиной изменения ее химического состава, что приводит к снижению плодородия почвы, растения начинают плохо развиваться или гибнут.
   Важными антропогенными факторами, отрицательно воздействующими на почву, являются парниковый эффект и озоновые дыры в атмосфере Земли.
   На состояние почвы влияют твердые бытовые отходы, вызывающие не только ее химическое загрязнение, но и характерное в настоящее время для окрестностей крупных городов отчуждение плодородной земли.
   Мощным и для некоторых местностей опасным антропогенным фактором, воздействующим на почву, является ее загрязнение радиоактивными веществами, которые выпадают из атмосферы в виде пыли.
   Почва загрязняется также при неправильном применении ядохимикатов, предназначенных для повышения урожайности растений. Гербициды, пестициды и другие ядохимикаты, накапливаясь в почве, способствуют ее химическому загрязнению и вызывают гибель почвообразующих организмов; это снижает плодородие почвы.
   Перечисленные загрязнители почвы распространяются как воздушным путем, так и с талыми и почвенными водами.
   Почва имеет способность к самоочищению, но, в отличие от воздушной и водной сред, этот процесс протекает очень медленно и способность самоочищения почвы не безгранична; причем каждый тип почв имеет свой предел самоочищения. Когда почва теряет способность к самоочищению, при постоянном ее загрязнении вредные химические вещества, в том числе и тяжелые металлы, попадают в плоды сельскохозяйственных растений. Эти отравленные плоды вызывают заболевания человека и животных.
   Нарушения почвы могут быть вызваны и природными процессами – пожарами, сезонными климатическими явлениями, вулканическими процессами, стихийными бедствиями и др.
   Почвы можно рассматривать как ненарушенные, т. е. существующие в естественных природных условиях, и нарушенные, т. е. преобразованные и измененные человеком. К последним относятся сельскохозяйственные угодья, почвы городов, агропромышленных и других районов.
   По признакам изменений различают следующие основные типы нарушений почвы.
   1. Полное уничтожение почвы, т. е. удаление почвенного слоя, выход на поверхность почвообразующих пород.
   2. Перекрытие почвенного профиля различными материалами – отходами, дорогами, покрытиями, застройками, затоплением. Городами и прочими населенными пунктами отторгнуто из естественного биосферного процесса около 5 % почвенного покрова, и эта величина неуклонно растет.
   3. Эрозия почв – разрушение почв и вынос рыхлых компонентов почвенного материала водой и ветром. Водная эрозия происходит под воздействием поверхностного стока, дождевых и талых вод. Ветровая эрозия представляет собой выдувание мелкозема из верхних почвенных горизонтов, особенно в засушливые периоды, при сильных ветрах. Отсутствие растительности приводит к усилению негативных последствий выветривания (рис. 2.3).

   Рис. 2.3. Деградация почв

   4. Механические нарушения – уплотнение, переувлажнение (подтопление), иссушение, образование плотных корок, пирогенные нарушения (являются результатом пожаров). Механические нарушения приводят к ухудшению физических (водно-тепловых, воздушных) и химических свойств, замусориванию почв.
   5. Загрязнение почв – накопление и распространение в них веществ, не связанных с почвообразованием. Такие вещества могут относиться как к естественным компонентам (соли, закисляющие вещества, нефть и нефтепродукты, некоторые минеральные удобрения и др.), так и к загрязнителям-токсикантам (тяжелые металлы, хлорорганические пестициды, радионуклиды и др.). В результате загрязнения почвы снижается ее плодородие, а сама почва может стать губительной средой для существующих в ней и находящихся в контакте с ней организмов. Загрязнение почв сопровождается попаданием загрязнителей в другие среды и объекты окружающей среды – живой и неживой природы.
   По характеру воздействия на объекты окружающей среды выделяются различные группы нарушений почвы (табл. 3).
//-- Таблица 3. Основные группы нарушений почвы --//

Оценивая состояние почвы, необходимо не только описывать приведенные выше ее нарушения, но и выявлять почворазрушающие процессы и их проявления (табл. 4), а также конкретные антропогенные процессы (табл. 5).
//-- Таблица 4. Почворазрушающие процессы и их проявление --//

//-- Таблица 5. Антропогенные почворазрушающие процессы --//

Между нарушениями почвы и почворазрушающими процессами имеется различие, так как нарушение (нарушенность) можно определить как состояние почвы, которое является следствием почворазрушающего процесса (рис. 2.4).

   Рис. 2.4. Захоронение отходов

   При проведении экологического мониторинга применяют экологические карты со специальными условными знаками. Для этого используют обозначение маркированного ареала. В разрыве контура ареала помещают индексы химических элементов, загрязняющих почву, а также цифры, указывающие уровень превышения ПДК каждого конкретного загрязнителя.
   Таким образом, две науки – почвоведение и экология – теснейшим образом связаны между собой: специалист-эколог не может не владеть основами почвоведения, так же как и почвовед не должен игнорировать современные экологические тенденции.
//-- Контрольные вопросы --//
   1. Охарактеризуйте цели и задачи почвоведения.
   2. Оцените взаимодействие почвенных и экологических законов природы.
   3. Что такое морфология почв и каково ее влияние на экологическую ситуацию?
   4. Опишите минералогический, механический и химический состав почв.
   5. Перечислите основные вещества, загрязняющие почву.
   6. Охарактеризуйте почвенные растворы и коллоиды.
   7. Опишите свойства и режимы почв.
   8. Перечислите факторы и условия плодородия почвы.
   9. Охарактеризуйте основные типы почв России.
   10. Опишите процесс эрозии почв.
   11. Назовите основные методы проведения полевого исследования почв.
   12. Определите связь между почвоведением и экологией.

Глава 3
Гидрология

3.1. Круговорот воды в природе

   На поверхности земного шара преобладает водное пространство – океаны, моря, реки, озера, болота. Вместе с литосферой и атмосферой гидросфера составляет географическую оболочку Земли. Гидросфера включает в себя химически не связанную воду, которая может двигаться под влиянием силы тяжести, притяжения и тепловой энергии.
   Гидрология – наука, изучающая гидросферу Земли. Она тесно связана с метеорологией, почвоведением и экологией; при ее изучении широко применяются физика, химия, математика, география и геодезия.
   Специалистов-экологов прежде всего интересуют экологические аспекты гидрологии, в том числе загрязняемость поверхностных вод суши вредными веществами, а также способность самоочищения водных объектов.
   Исходя из этого определяются и задачи науки гидрологии, как общие (изучение гидросферы Земли, ее структуры и протекающих в ней процессов, пространственные характеристики, оценка ее взаимосвязи с другими сферами Земли), так и экологические (приспособленность живых организмов к жизни в водных объектах, влияние водных ресурсов на безопасную жизнедеятельность человека, прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши и океана).
   В настоящем учебнике акцент в основном сделан на поверхностных водах суши, так как влияние антропогенных факторов на них наиболее существенно.
   Основной задачей экологической гидрологии как учебной дисциплины является освоение закономерностей и процессов, протекающих в водной оболочке Земли, и определение связей экологии и гидрологии.
   Гидрология занимается решением следующих вопросов:
   1) получение сведений о водных объектах на начальной стадии их изучения;
   2) измерение и анализ параметров воды при проведении стационарных многолетних исследований (уровни и расходы воды, замерзание водоемов, испарение и состав воды, ее температура и т. д.);
   3) получение сведений о крайних характерных величинах: наивысшем и наинизшем уровнях, минимальном и максимальном расходах воды, о внутригодовом ходе стока;
   4) расчеты водных запасов и водного запаса рассматриваемых объектов;
   5) получение данных об эрозионной деятельности реки, условиях формирования русла, изменении уклона и заилении водоемов;
   6) оценка сведений о гидротехнических сооружениях, агролесомелиоративных мероприятиях, заболоченности бассейна и т. п.;
   7) решение экологических проблем, связанных с гидросферой.
   С использованием водных ресурсов страны связано развитие промышленности, сельского хозяйства, транспорта, энергетики, водоснабжения, рыбного хозяйства, лесосплава.
   Этапы проведения гидрологических исследований, необходимых и при проведении экологических работ:
   – создание и эксплуатация на водных объектах гидрологических постов;
   – проведение гидрологического мониторинга;
   – обработка и анализ полученных данных;
   – соблюдение условий сопоставимости, необходимой точности и единства измерений в сети гидрологических постов;
   – составление гидрологических и экологических прогнозов;
   – предупреждение населения об опасных природных и антропогенных явлениях, связанных с водной стихией (наводнения, сели, оползни, катастрофические загрязнения водоемов).
   Вода незаменима для жизни на Земле: это важнейший растворитель различных веществ, участник основных реакций в живых организмах, переносчик веществ внутри них; вода поддерживает тонус растительных и животных тканей, оказывает влияние на тепловую регуляцию, является жизненной средой для многих организмов.
   Гидросфера Земли охватывает различные по природе воды. Они неодинаковы не только по своим физико-химическим характеристикам и свойствам, но и по некоторым географическим признакам (например, по месту расположения на планете). В течение длительного времени (несколько геологических периодов) под влиянием сложных и разнородных процессов на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры образовывались скопления вод различных типов, каждый из которых обладает определенными гидрологическими особенностями.
   Водными объектами называются обособленные сосредоточения различных видов вод. Они представляют собой составные части гидросферы Земли и по определенным признакам подразделяются на несколько групп.
   Водоемы – скопления вод в понижениях земной поверхности. Котловина и заполняющая ее вода представляют собой единый природный комплекс, для которого характерно замедленное движение воды. К этой группе водных объектов относятся океаны, моря, озера, водохранилища, пруды, болота.
   Водотоки – скопления вод в относительно узких и мелких углублениях поверхности Земли с поступательным движением воды в направлении уклона этого углубления. К этой группе водных объектов относятся реки, ручьи, каналы. Они могут быть постоянными (с течением воды круглый год) и временными (пересыхающими, перемерзающими).
   Особые водные объекты – ледники (движущиеся естественные скопления льда) и подземные воды.
   Вода на Земле находится в жидком, твердом и парообразном состоянии; она включена в водоносные горизонты и артезианские бассейны.
   Водные объекты имеют водосбор – часть земной поверхности или толщи почв и горных пород, откуда вода поступает к определенному водному объекту. Граница между соседними водосборами называется водоразделом. В природе водоразделы обычно разграничивают водные объекты суши, главным образом речные системы.
   Каждый водный объект, относящийся к той или иной группе, характеризуется своими особенностями природных условий. Они изменяются в пространстве и во времени под влиянием физико-географических, прежде всего климатических, факторов. Закономерные изменения состояния водных объектов, образующих в совокупности гидросферу, в той или иной мере отражаются на ней.
   Общий объем вод на Земле составляет около 1390 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, из которого на долю Мирового океана приходится 96,4 % этого объема.
   Среди водных объектов суши наибольшее количество воды – 25,8 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(1,86 % всех вод на Земле) – содержат ледники. При этом на ледники Антарктиды и Гренландии приходится соответственно 89,8 и 9,7 %, а на ледники островов Арктики – 0,3 %. В горных ледниках содержится 0,2 % всех ледниковых вод Земли.
   Общий объем пресных вод на Земле равен примерно 36 700 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. около 2 % всех вод гидросферы. Поскольку основная часть пресной воды, сосредоточенная в ледниках в виде льда, недоступна для использования, объем остальной части пресных вод равен около 0,3 % общего объема гидросферы. Эти цифры свидетельствуют о бедности нашей планеты пресными водами, в которых наиболее заинтересовано человечество.
   Поверхность суши земного шара по условиям стока воды делится на две части: область внешнего стока и область внутреннего стока. Из 149 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

площади суши область внешнего стока занимает 119 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, или 80 %, а остальные 30 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, или 20 %, приходятся на область внутреннего стока.
   Областью внешнего стока называют часть суши, речной сток воды с которой поступает непосредственно в океаны или моря, соединенные с Мировым океаном.
   Областью внутреннего называют сушу, не имеющую стока в океан; вода ее рек поступает в бессточные озера.
   Сток воды с поверхности суши распределяется неравномерно. Примерно 98 % общего объема стока сбрасывается в моря и океаны, на долю же бессточных областей, занимающих более 20 % площади суши, приходится всего лишь 2 % общего стока.
   Из объема стока 45,8 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, формирующегося в областях внешнего стока, поверхностный приток воды в океаны и моря достигает 44,7 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, остальная часть, приблизительно равная 1,1 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, составляет потерю речных вод в пути.
//-- Гидрологический цикл --//
   Гидрологический цикл совершается за счет большей части (более 90 %) энергии солнечного излучения, поступающего на поверхность Земли. Основные его процессы – испарение и конденсация.
   Под воздействием солнечного излучения вода испаряется (больше всего – из океанов: примерное годовое количество осадков над океаном 112 см, тогда как над сушей – 72 см) и в виде водяных паров поступает в атмосферу, а после конденсации в виде осадков возвращается на Землю. На суше часть ее вновь сразу испаряется, часть стекает по поверхности, часть впитывается. Вместе с водой циркулируют и все вещества, содержащиеся в ней.
   Количество воды оказывает влияние на облик всей экосистемы. Минимальное количество осадков отмечается в пустынных областях (0,25 см в год и менее), максимальное – в Гималаях (до 1232 см в год). Однако важно не только общее количество осадков, но и их распределение в течение года.
   Благодаря гидрологическому циклу вода является неисчерпаемым природным источником. Однако человек опаснейшим образом вмешивается в этот цикл:
   – ускоряет отток воды с суши (спрямление водотоков, вырубка лесов и т. д.), в результате чего происходит высыхание территорий, усиливается эрозия почвы;
   – загрязняет воду до такой степени, что она становится непригодной для использования;
   – усиливает парниковый эффект за счет огромных выбросов в атмосферу углекислого газа и окислов азота, в результате чего происходит таяние ледников и затопление части суши.
   На рис. 3.1 показан круговорот воды в природе.

   Рис. 3.1. Гидрологический цикл на Земле (относительные массы воды приведены в процентах)

   Приведенные на рис. 3.1 цифры дают приблизительное представление о распределении воды по отдельным частям гидросферы. Вода на земном шаре находится в непрерывном движении, в процессе которого она переходит из одного состояния в другое. В этом вечном движении принимают участие воды океанов и морей, а также воды атмосферы и воды, находящиеся в пределах суши.
   Основной причиной круговорота воды является солнечная энергия, поступающая на всю земную поверхность.
   Солнечная энергия обусловливает как процессы, происходящие в атмосфере и гидросфере (испарение, осадки, ветры, течения и пр.), так и все явления органической и неорганической жизни на Земле. Такие явления, как испарение воды и образование облаков, выпадение осадков в виде дождя и снега, таяние ледников и течение рек, высыхание почвы и водоемов, представляют собой закономерные звенья общего круговорота воды на земном шаре. Количество воды, испаряющейся в течение года с поверхности земного шара, составляет 577 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Под влиянием солнечного тепла с поверхности океанов и морей непрерывно испаряется большое количество воды. Эта масса влаги, поднимаясь в атмосферу в виде пара, переносится воздушными течениями за сотни и тысячи километров на материки.
   Попадающие в атмосферу пары при определенных условиях сгущаются и конденсируются, образуя облака, которые дают осадки, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, снега, града. Осадки просачиваются в почву и питают грунтовые воды, стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, а остальная часть их снова испаряется.
   Атмосферные осадки, стекающие через реки и подземные потоки в моря и океаны, вновь испаряются с их поверхности; затем происходит перенос водяных паров и снова возвращение их на поверхность суши в виде различного рода осадков и т. д.
   В природе существует два вида круговорота воды:
   – малый, или океанический, круговорот, когда испарившаяся с поверхности океанов и морей влага не переносится на сушу, а, поднявшись вверх, конденсируется и возвращается непосредственно в моря и океаны в виде атмосферных осадков;
   – большой круговорот – это процесс перемещения воздушными течениями на материки водяных паров, не выпавших в виде осадков в океаны и моря; выпадающие на поверхность суши атмосферные осадки затем снова поступают в моря и океаны в виде стока рек.
   Большой круговорот включает местный, или внутриматериковый, влагооборот, происходящий непосредственно на суше, когда часть выпавших осадков испаряется и снова конденсируется (превращается в облака), затем опять выпадает в виде дождя или снега на поверхность Земли. Эта влага, прежде чем вернуться в океан, совершает несколько оборотов, снабжая влагой территории, далеко отстоящие от океана.
   Продвижение влаги вглубь материка можно проследить на примере европейской территории России и Западной Сибири, представляющих в климатическом отношении единое целое. Весь этот район обеспечивается влагой, поступающей со стороны Атлантического океана и Балтийского моря. Западные и северо-западные ветры переносят водяные пары на юго-восток – в Нижнее Поволжье и на восток – в Западную Сибирь. При этом чем дальше воздушные потоки проходят вглубь материка, тем меньше в них остается влаги. Некоторое пополнение влаги происходит за счет испарения с поверхности суши, где основная роль принадлежит лесу и земледельческим культурам, испаряющим в период вегетации сравнительно большое количество влаги. Водоемы суши (реки и озера) большой роли во внутриматериковом влагообороте не играют, так как они имеют незначительную общую площадь по сравнению с материком.
   Итак, поступление влаги в климатически замкнутую часть материка зависит от подачи влаги с океанов и морей и ее распределения внутри самого материка под воздействием тех или иных метеорологических факторов, а также от распространенности растительного покрова и наличия водоемов.
   Круговорот воды в пределах бессточных областей суши является относительно самостоятельным, хотя и связанным с общим влагооборотом на земном шаре. Незначительный влагообмен бессточных областей суши с Мировым океаном объясняется тем, что вода с бессточных областей попадает в него не путем непосредственного стока реками, а в результате переноса влаги в парообразном состоянии воздушными течениями в периферические области суши или непосредственно на моря и океаны. Гидросфера – это планетарная динамичная система, которой присущи многоплановые, в том числе и экологические, функции, выполняемые ею в разных аспектах, прежде всего исходя из понимания экологии как науки о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой.
   Вместе с тем экологическому функционированию гидросферы свойственны и другие, не менее значимые, проявления. Они выражаются в ее взаимосвязях и взаимодействии не только с биосферой, но и с другими оболочками Земли. Отсюда следует, что экологические функции гидросферы – одна из наиболее существенных ее сторон, оказывающих влияние на планету в целом.
   По масштабам проявления экологические функции гидросферы можно подразделить на:
   – региональные, происходящие на значительных по размерам пространствах, обычно океанских;
   – местные, наблюдаемые в сравнительно ограниченных районах.
   Взаимодействие водной среды с другими средами, а также внутриводные физико-химические процессы не обязательно дают собственно экологический эффект, т. е. прямо не отражаются на взаимодействии организмов с окружающей средой; различают прямые и косвенные экологические функции гидросферы. Здесь виден широкий спектр функциональных связей гидросферы с другими сферами, преимущественно планетарного масштаба. В основном это косвенные функции, но они сказываются на органическом мире не только вод, но и Земли в целом, через посредство различных природных процессов и факторов, обусловливающих жизнедеятельность планеты.
   Преобладающая часть метеорологических процессов в той или иной мере связана с реальным взаимодействием воздушной и водной оболочек планеты. Такое взаимодействие проявляется в разных отношениях, среди которых экологически наиболее значимы тепло– и влагообмен между океанской и воздушной средами. Гидросфера, особенно океан, постоянно энергетически питает атмосферу. Мировой океан – это огромный аккумулятор тепла и влаги на Земле. Именно его тепло, а не тепло атмосферы, главным образом расходуется на возникновение и развитие метеорологических процессов. Теплоемкость воздуха составляет 25 % теплоемкости воды, поэтому при изменении температуры на одно и то же значение вклад гидросферы в теплосодержание вертикального столба атмосферы значительно больше, чем вклад атмосферы. Таким образом, с тепловым взаимодействием атмосферы связаны климатические условия Земли. Они различны в разных ее районах – в одних благоприятны для существования животных и растений и для жизни человека, в других неблагоприятны. Через климат осуществляется одна из важных экологических функций гидросферы.
   Другой характерный пример – растворение и перемещение водными потоками гидросферы вещества почвенной оболочки и литосферы. Ежегодно только реками выносится с континентов более 20 млрд тонн вещества. Кроме того, в прибрежной зоне океана действием донной эрозии и других процессов постоянно измельчается, перемещается и растворяется большая масса твердого вещества.
   Растворение, переработка и перемещение твердых веществ водой служат предпосылкой для осуществления такой экологической функции гидросферы, как формирование химических соединений и структурных образований и горизонтов почвенной сферы и литосферы, в чем проявляются взаимосвязи почвенной оболочки и литосферы. Так, важнейшим условием возникновения многих видов осадочных пород считается отторжение вещества на водосборах в результате химического выветривания, которое без участия водных растворов практически не происходит. В этом проявляется экологически взаимосвязанное функционирование гидросферы и литосферы.
   Характерный пример прямых экологических функций гидросферы – сложное и многогранное взаимодействие водной среды с населяющими ее организмами. Биологические процессы, протекающие в воде, тесно связаны с ее свойствами и гидрологическими условиями. Так, у многих видов морских организмов сроки размножения приурочены к определенным температурным условиям. Часто наблюдается массовая гибель икры и личинок, если в период размножения неблагоприятно изменилась температура воды. С прогревом и похолоданием связаны сроки подхода рыбы к берегу и обратной их откочевки в море.
   В свою очередь, водные организмы воздействуют на среду обитания. В результате фотосинтетической деятельности растений она получает добавочное количество энергии. Жизнедеятельность органического мира оказывает влияние на химический и газовый состав вод.

3.2. Общие сведения о реках

   Рекой называется водоток значительных размеров, протекающий в естественном вытянутом углублении земной коры – русле, – питающийся атмосферными осадками, поверхностными и подземными водами со своего водосбора. Водосбор – это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда река получает свое питание.
   Реки обычно впадают в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в эту главную реку, – ее притоками. Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в море или озеро, называется речной системой или речной сетью.
   Территория суши, включающая данную речную сеть и ограниченная водоразделом, называется бассейном реки. В природе водосбор и бассейн реки совпадают. К рекам относят лишь постоянные и наиболее крупные водотоки с площадью бассейна не менее 50 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Водотоки с меньшей площадью бассейна называют ручьями.
   Каждая река начинается с истока – места, где ее русло приобретает отчетливо выраженные очертания и где в нем впервые проявляется поверхностное течение. Река может образовываться из слияния двух ручьев. Тогда за начало реки принимается место слияния этих ручьев. Многие реки берут начало из озер, а некоторые – из болот. В высокогорных районах с ледниками реки нередко начинаются у нижнего края ледников. За исток принимается место выхода водного потока из-под ледника.
   По мере движения воды в реке различают ее верховье, среднюю часть и низовье. Каждая из этих частей имеет общие природные черты у разных рек.
   Место, где река впадает в другую реку, озеро или море, называется устьем реки. Обычно оно хорошо выражено и определяется более просто, чем исток.
   Длина реки – расстояние вдоль русла между истоком и устьем реки. Длину реки обычно измеряют по крупномасштабным картам или аэрофотоснимкам, при этом расстояние измеряют по геометрической оси русла.
   Река в плане всегда имеет извилистую форму, которая в основном определяется ее водным режимом, почвами и геологическим строением участка суши, где она протекает. Извилистость реки характеризуется коэффициентом извилистости. Он рассчитывается как для отдельных участков, так и для реки в целом. Коэффициент извилистости участка реки – это отношение длины участка реки, измеренной по карте, к длине по прямой от начала до конца данного участка.
   Извилины рек обычно называют меандрами, а непрямолинейное движение реки именуют ее меандрированием. Излучины (меандры) – один из морфологических элементов русла реки.
   Полоса в русле реки с глубинами, наиболее благоприятными для судоходства, называется фарватером.
   Основными морфометрическими характеристиками русла являются: ширина русла между урезами русла при заданном его наполнении, максимальная глубина русла, средняя глубина русла, площадь поперечного сечения – это сечение русла вертикальной плоскостью, перпендикулярной направлению течения.
   Форма поперечного сечения русла рек связана со строением берегов и весьма разнообразна. Еще М.В. Ломоносов отмечал несимметричность профиля русла рек. Он писал, что в реках одна сторона состоит из берегов крутых и высоких, другая – из низких песчаных берегов и луговых мест, что объясняется вращением Земли. В Северном полушарии поток воды отклоняется вправо по течению, в Южном – влево, подмывая тот или другой берег реки.
   В целом река – это комплексный природный объект, в котором главным компонентом является вода, движущаяся в русле. Соответственно многие особенности собственно речных вод как составной части гидросферы связаны с источниками их возникновения, характером земной оболочки, в которой они протекают.
   Прямые линии на картах измеряются линейкой с миллиметровыми делениями, а также различными циркулями-измерителями; ломаные линии измеряются с помощью циркуля по частям, а результаты суммируются.
   Длины извилистых рек на картах могут быть измерены с помощью микроизмерителей или курвиметров. При этом измеряемая длина реки разбивается на участки с учетом степени извилистости. Начало и конец каждого участка реки фиксируется засечками короткими черточками, перпендикулярными измеряемой линии. Длина участка не должна превышать 4–5 см. Затем каждый участок измеряется микроизмерителем с раствором ножек 1 мм.
   Для измерения длин рек по картам установлены следующие правила.
   1. Данные измерений заносятся в специальный журнал.
   2. Длина реки измеряется дважды: сначала делается сплошное измерение всей длины от устья до истока, при этом в журнале измерений в виде нарастающего итога отмечается расстояние от устья до каждой засечки с точностью до 0,1 раствора циркуля. Второе измерение производится в обратном направлении, но отдельно по каждому участку. Если результаты первого и второго измерений различаются не более чем на 2 %, то измерения признаются выполненными удовлетворительно и по ним вычисляется среднее арифметическое значение длины реки. Так рассчитывается предварительное значение длины реки, сначала в миллиметрах, а затем, в соответствии с масштабом карты, – в километрах.
   3. После умножения длины каждого участка реки на соответствующий коэффициент извилистости получаются окончательные значения длин участков реки, которые последовательно суммируются в том же порядке, в котором производилось первое измерение, т. е. от устья к истоку.
   Простейший прибор для измерения длин на карте – курвиметр – состоит из двух соединенных шестеренкой колес разного диаметра, заключенных в оправу. Путь, пройденный малым обводным колесом, отмечается на циферблате индексом или стрелкой.
   Перед измерениями проверяется цена деления избранной для измерений шкалы путем многократной прокатки обводного колеса по пробному базису – отрезку одной из линий километровой сетки.
   Не очень извилистые, плавные кривые линии можно измерить курвиметром с погрешностью около 2 %. Погрешность измерений очень извилистых кривых возрастает до 10 % и более.
   Бесконтактность с документом при измерениях может обеспечиваться наложением на него недеформирующейся пленки с шероховатой поверхностью.
   При измерениях ручку курвиметра следует держать отвесно; этим обеспечиваются легкость и плавность поворотов обводного колеса при перемещении его вдоль линии.
   Длина реки измеряется курвиметром в два приема по два раза. Сначала измеряется вся длина реки в прямом и обратном направлениях, затем – каждого отдельного участка (также в обоих направлениях). Каждый раз перед измерением на шкале курвиметра устанавливается нулевой отсчет.
   Речным бассейном, или водосбором, является вся площадь, которая дренируется (обезвоживается) водотоком или системой взаимно связанных водотоков, причем сток со всей этой площади в конечном итоге поступает в одно русло. Многочисленные потоки, перерезающие аллювиальные (см. главу 2) отложения в дельте, представляют собой один общий водоток. Принято считать, что на больших речных бассейнах все грунтовые воды, образующиеся из осадков, выпавших в пределах бассейна, полностью расходуются через главное русло водотока, за исключением той их части, которая идет на испарение и транспирацию (см. главу 1). На небольших бассейнах происходит утечка подземных вод за пределы бассейна; их дренирование может осуществляться соседними водотоками, а при соответствующих геологических условиях – и весьма удаленными реками.
   Каждый бассейн ограничен водоразделом, отделяющим его от соседних бассейнов. Водораздел располагается по наивысшим точкам местности вокруг данного бассейна и пересекает водоток в замыкающем створе. Он проходит по высшим точкам между бассейнами. Большие речные бассейны обычно имеют веерообразную или грушевидную форму. Малые же бассейны бывают самой различной формы в зависимости от геоморфологического строения местности.
   В пределах некоторых бассейнов могут наблюдаться бессточные области, с которых вода поступает в закрытые низины или озера, не связанные поверхностными водотоками с остальной речной сетью данного бассейна.
   Часто для практических целей бывает целесообразно разделять большие бассейны на отдельные части. Части бассейна или бассейны притоков ограничиваются внутренними водоразделами точно так же, как и весь бассейн. Замыкающие створы таких бассейнов принято относить к существующим гидрометрическим станциям, которые обычно располагаются несколько выше устьев.
   В зависимости от наличия или отсутствия постоянного течения реки подразделяются на три основных типа:
   1) непересыхающие летом, или постоянные, водотоки, содержащие воду в течение всего года, за исключением отдельных периодов очень сильных засух;
   2) периодически пересыхающие, несущие воду бoльшую часть года и пересыхающие в те периоды, когда поступление воды в русло и испарение превышают приток в реку;
   3) временные водотоки, имеющие сток только после дождей или в период снеготаяния.
   Непересыхающие реки питаются в сухое время года подземными водами, тогда как русла временных водотоков в любое время года расположены выше ровня грунтовой воды. Многие водотоки имеют участки всех трех типов, и поэтому их трудно отнести к какому-либо одному типу. Как правило, бассейны рек, имеющих сток в течение всего года, велики, бассейны же временных водотоков малы.
   Морфологические характеристики речного бассейна являются важными гидрологическими факторами. Из них гидрологу (и экологу) необходимо знать площадь водосбора, степень разветвленности и густоту речной сети.
   Площадь водосбора – это площадь горизонтальной проекции территории, ограниченной водораздельной линией. Бессточные области обычно исключаются из общей площади водосбора. Площадь бассейна определяется планиметрированием по относительно крупномасштабным картам и выражается в квадратных километрах.
   Степень разветвленности речной сети, или порядок рек, характеризует систему водосбора в пределах бассейна по притокам главной реки водной системы. К притокам первого порядка относятся реки, имеющие притоки второго порядка. Притоками второго порядка являются реки, имеющие притоки только третьего порядка. Притоками третьего порядка называются малые реки, не имеющие притоков. Таким образом, порядок главной реки определяет степень разветвленности речной системы бассейна.
   Густота речной сети D есть средняя длина речной сети на единицу площади бассейна, т. е.

   где ΣL – общая длина всех рек в пределах бассейна; A -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– площадь бассейна. Для точного определения величины ΣL необходимо использовать крупномасштабные карты, на которых нанесена вся речная сеть. Данные о густоте речной сети используются главным образом в связи с изучением паводков, поэтому при вычислении ΣL необходимо учитывать также временные и периодически пересыхающие водотоки.
   Густота речной сети может характеризовать протяженность малых водотоков, так как малая густота речной сети свидетельствует о большой длине пути стекания воды со склонов.
   По некоторым небольшим рекам, малым ручьям и ручейкам сток осуществляется лишь во время дождя и снеготаяния; вследствие малых размеров такие русла обычно не могут быть показаны на топографической карте. Все же по ним начинается русловый сток, который как бы выделяется из поверхностного склонового стока. Эти малые водотоки оказывают существенное влияние на площадь и форму системы водосбора и, следовательно, также должны учитываться при анализе водной системы.
   Вытянутые пониженные формы рельефа местности, по которой течет река, называются долинами. Речные долины формируются на протяжении многих веков; их размеры (длина, ширина и глубина) и форма зависят от многих факторов, в том числе от почвенного состава местности, рельефа, климата, расхода воды в реке и т. д. Долина реки включает в себя следующие элементы: русло – наиболее пониженную часть долины – и пойму – часть дна долины, заливаемую высокими речными водами (во время паводков).
   Формы русла реки в поперечном сечении различны; они зависят от русловых процессов – мощности и формы руслового потока, вида размываемого грунта, сезонных изменений, рельефа местности и т. д. К морфометрическим характеристикам речного русла относятся повышения и понижения глубины реки, результаты изменений направления течения реки, количество и вид выноса речного потока.
   Русло реки включает в себя следующие характерные гидрологические образования: острова, осередки, староречья, рукава, протоки, заливы, плёсы, приплёски, перекаты, отмели, косы, пляжи. Остров – участок суши, омываемый водой со всех сторон. Осередок – заливаемое водой срединное повышение дна реки. Староречье (старица) – полностью или частично отделившийся от реки участок ее прежнего русла; пойменное озеро, соединяющееся с рекой при высоком уровне воды. Рукав – ответвление русла реки, возникающее вследствие отложения наносов. Проток – короткий канал естественного происхождения, соединяющий между собой водоемы; иногда – второстепенное русло реки. Залив – часть реки, впадающая в сушу и имеющая свободный водообмен с рекой. Плёс – более глубокий участок русла реки, расположенный между перекатами; он образуется при местном увеличении скорости реки и размыве ее дна. Приплёсок – местное небольшое углубление русла реки отмелью. Перекат – мелководный участок русла реки, обычно имеющий вид вала с пологим скатом, обращенным против течения, и крутым – по течению; он является следствием неравномерности размыва русла водным потоком. Отмель – повышение уровня дна реки вследствие образования поля наносов. Коса – низкая и узкая намывная полоса суши, присоединенная одним концом к берегу; она образуется за счет перемещения наносов в результате огибания потока выступом берега. Пляж – полоса наносов на берегу; пляжи бывают песчаными, галечными, гравийными и ракушечными.
   Данные по речным системам, водоразделам, долинам и руслам рек позволяют производить гидрологическую и экологическую оценку состояния природной среды и прогнозировать ее изменения.

3.3. Гидрологический режим рек

   В каждой реке различают место ее зарождения – исток и место впадения в море, озеро или слияния с другими реками – устье.
   Линия наибольших глубин русла образует фарватер, а линия наибольших скоростей течения называется стрежнем. Разность высот между истоком и устьем реки называется падением реки; отношение падения реки или отдельных ее участков к их длине называется уклоном реки или ее участка и выражается в процентах.
   В зависимости от рельефа местности, в пределах которой текут реки, они разделяются на горные и равнинные. На многих реках перемежаются участки горного и равнинного характера. Горные реки, как правило, отличаются большими уклонами, бурным течением, текут в узких долинах; преобладают процессы размыва почвы. Для равнинных рек характерно наличие извилин русла, или меандр, образующихся в результате русловых процессов. На равнинных реках чередуются участки размыва русла и участки, на которых оседают наносы, в результате чего образуются мелководья и перекаты, а в устьях – дельты. Иногда ответвленные от реки рукава сливаются с другими реками.
   Водный режим рек – это изменение во времени расходов воды, уровней и объемов в реках, озерах, водохранилищах и болотах. Водный режим связан с сезонными изменениями климата – в районах с теплым климатом на водный режим основное влияние оказывают атмосферные осадки и испарение; в районах с холодным и умеренным климатом очень существенной является роль температуры воздуха.
   Водный режим рек проявляется в виде суточных, декадных, месячных, сезонных и многолетних колебаний; он слагается из ряда характерных периодов (фаз), зависящих от сезонных изменений условий питания рек. Различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки и межень. Половодьем является ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон года значительное повышение уровня воды в реке; оно обычно сопровождается выходом вод русла и затоплением поймы реки. Паводок – это сравнительно кратковременное поднятие уровня воды в реке, возникающее в результате быстрого таяния снега и ледников при оттепели, при обильных дождях или выпуске воды из водохранилищ; значительный паводок может вызвать наводнение (природную или антропогенную экологическую катастрофу). Межень – сезонное стояние низких уровней воды в реках.
   Режим питания рек неравномерен в течение года вследствие неравномерности выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки. Наблюдаемые колебания уровня воды вызываются в основном изменением величины расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.
   Скорость течения в реках колеблется в больших пределах – от нескольких сантиметров в секунду (равнинные реки) до 6–7 м/сек (горные реки) – и распределяется неравномерно по живому сечению реки. С повышением уровня воды скорость течения, как правило, увеличивается на плёсах и уменьшается на перекатах. Кроме течения, направленного вдоль русла, в речных потоках наблюдаются циркуляционные, винтообразные течения, характер и направление которых зависят от конфигурации русла в поперечном разрезе и в плане. Вследствие турбулентного перемешивания на многих реках температура воды распределяется равномерно по всему ее живому сечению. Температура воды в реках в теплый период следует за ходом температуры воздуха. Во время ледостава температура воды составляет около 0 °C.
   Бурное течение горных рек не позволяет образоваться ледовому покрову, но многие из них зимой несут большое количество шуги (скопление рыхлого губчатого льда на поверхности водоема).
   Колебания уровня воды в реках связаны с изменением расходов воды, под которыми понимается количество воды, протекающей в реке, измеряемое в м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/сек. Уровни и расходы воды и их колебания являются главными характеристиками водного режима рек. Колебания расходов воды разнообразны и зависят от сезонной многолетней цикличности и сезонной периодичности их водности.
   Источниками питания рек являются жидкие осадки, снежный покров, высокогорные снега и ледники, а также подземные воды. Однородного питания реки в природе почти не наблюдается; оно обычно бывает смешанным с преобладанием того или иного источника.
   Для умеренного пояса Северного полушария характерна повышенная водность весной: на юге – преимущественно за счет дождевого питания; в средней полосе и на севере – за счет половодий снегового происхождения при более или менее устойчивой летней и зимней межени. Крайний тип режима рек умеренного пояса, формируемый в условиях резкой континентальности, – это кратковременное весеннее половодье при пересыхании рек в течение большей части года.
   В районах многолетней мерзлоты характерно зимнее пересыхание рек, которое иногда называется перемерзанием рек. В Арктике таяние снежного покрова происходит поздно, поэтому весеннее половодье переходит на лето.
   Особым водным режимом отличаются горные реки. Их питание и водность подчиняются высотным закономерностям, проявление которых меняется в зависимости от расположения склонов.
   Реки производят огромную эрозионную работу: линейную (речными потоками), в руслах, на пойме и на водосборах.
   Речной сток является важнейшим источником ресурсов пресных вод. Он состоит из подземного и поверхностного стоков.
   Важнейшая черта подземного стока воды – его зарегулированность, благодаря чему он может быть использован в течение всего года. Поверхностный сток чаще всего становится доступным для использования после регулирования его с помощью водохранилищ.
   Преобразование стока воды происходит также под влиянием антропогенного воздействия, в частности увеличения продуктивности земледелия и лесного хозяйства, способствующего повышению впитывающих свойств почвы, аккумуляции в ней воды, росту расходования почвенной влаги на испарение, что приводит к уменьшению стока.
   К наиболее существенным физико-географическим факторам, под влиянием которых формируются природные условия рек на всем их протяжении, относятся:
   – географическое положение реки, выражаемое через их удаленность от океана, координаты истока и устья и др.;
   – климатические условия (атмосферные условия, ветры, осадки, температура воздуха, испарения и т. п.);
   – геологическое строение и геоморфологические особенности берегов, заболоченность, лесистость, хозяйственная деятельность человека и пр.
   Воздействие этих и других факторов на природу реки, за исключением ее географического положения, изменяется во времени и пространстве: достаточно отчетливо выражена сезонная и межгодовая изменчивость; вследствие обычно большой протяженности реки влияние воздействующих факторов по-разному сказывается у ее истоков, в средней части и возле устья.
   Кроме того, существуют различные поступления вод в реки, т. е. разные источники их питания. Принято выделять четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное.
//-- Питание рек --//
   Основной вид питания рек земного шара – дождевое питание, за ним следуют снеговое, подземное и наконец ледниковое. Роль климата является ведущей в формировании природных условий рек.
   Вода в реке как часть гидросферы имеет свои природные особенности и количественные характеристики. И те и другие свойственны всем рекам, но в каждой из них проявляются по-разному и характеризуются различными численными показателями.
   Одной из важнейших характеристик природных условий реки является сток воды, т. е. процесс стекания дождевых и талых вод в речных системах. Это поверхностный русловой сток. Его главные количественные характеристики: расход воды – объем воды, протекающей через поперечное сечение реки в единицу времени, обычно за одну секунду, м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/с; объем стока воды – объем воды, протекающей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год). Для больших рек сток обычно выражается в км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год.
   Следующей весьма существенной характеристикой природы реки служит уровень воды в ней, т. е. высота поверхности воды (в см) в месте измерения, которое называется водомерным постом.
   Естественное состояние реки – движение воды в ней, или течение, которое всегда направлено от истока к устью, т. е. от верховья к низовью. Главная характеристика течения – его скорость, измеряемая в см/с или м/с. Скорости течения неодинаковы по длине, ширине и глубине реки.
   Приведенные показатели (сток, расход, уровень и течение реки) в целом или взятые по отдельности характеризуют важнейшие процессы, свойственные рекам. Эти показатели изменяются во времени и пространстве под влиянием различных природных и антропогенных факторов.
   Вместе с ними в каждой конкретной реке изменяется водность – относительная величина объема речного стока за то или иное время по сравнению со средним многолетним стоком реки. Водность реки непостоянна. Она испытывает вековые (на протяжении геологических эпох), многолетние (порядка десятков лет), внутригодовые (сезонные) и кратковременные (несколько суток) колебания. Они в основном обусловлены климатическими и метеорологическими причинами (обилие осадков, таяние льда на реке и ледников в горах и т. п.).
   Один из основных факторов формирования водности реки – ее течение, которое в то же время представляет собой весьма важный природный процесс. Течение воды в реке (а ее дно обычно имеет уклон), вызывает и поддерживает сила тяжести. Ее можно разложить на две составляющие: параллельную и перпендикулярную дну. Первая, зависящая от уклона, и вызывает движение воды в потоке. Вторая уравновешивается силой реакции со стороны дна. Сила, направленная параллельно дну, действует постоянно и потому должна бы вызывать ускорение движения. Однако этого не происходит, так как она уравновешивается силой сопротивления, возникающей в потоке в результате внутреннего трения между частицами воды и трения движущейся массы воды о дно и берега. Изменение уклона, шероховатости дна или сужения либо расширения русла вызывает изменение соотношения движущей силы и силы сопротивления, что приводит к изменению скоростей по длине реки и в живом сечении.
   При движении воды на закруглениях рек возникает центробежная сила. Она может действовать вправо и влево – в зависимости от поворота реки. Под действием центробежной силы поверхность воды в реках в поперечном сечении принимает криволинейную форму, повышаясь у вогнутого берега. Величины возвышения уровня воды над горизонтальной плоскостью, которые определяют криволинейную форму поверхности воды в поперечном сечении, зависят от радиуса кривизны реки. На поверхности величина центробежной силы больше, чем у дна.
   На движущуюся воду действует отклоняющая сила вращения Земли. Она направлена перпендикулярно к направлению течения. В Северном полушарии эта сила действует вправо по течению, в Южном – влево. В реке на различных глубинах скорости течения и масса воды, а следовательно, и ее вес различны, поэтому центробежная сила изменяется с глубиной – в поверхностных слоях ее действие заметно сильнее, чем на глубинах.
//-- Скорость течения речного потока --//
   На скорость течения, кроме перепада высот, влияет ветер. Если он дует против течения, то скорость последнего уменьшается, а если по направлению течения, то его скорость увеличивается, особенно на поверхности. Ветер, дующий поперек реки, на широких реках может понижать ее уровень у подветренного берега и повышать – у наветренного.
   В движущейся воде скорости ее течения различны на разных участках реки и неодинаковы по ширине и глубине потока. Это получается оттого, что верхняя вода граничит с воздухом, оказывающим малое сопротивление, поскольку он легче воды, а нижняя вода граничит с землей, обладающей большим сопротивлением, будучи неподвижной и более тяжелой, чем вода. Распределение скоростей в потоках зависит от степени шероховатости дна и берегов реки, их формы, водной растительности, ледяного покрова и ветра. Под влиянием этих и других факторов формируются определенные закономерности распределения величин скоростей течения в реке.
   Наибольшие скорости течения наблюдаются на поверхности реки, причем над наиболее глубокой частью ее русла. Продольная линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. Положение стрежня не всегда остается постоянным во времени. Он может отклоняться вправо и влево по направлению течения. Ветер, дующий против течения, замедляет скорость течения, и ее максимум наблюдается в удалении от поверхности на 0,2 глубины реки в месте измерения. В потоках, покрытых льдом, наибольшая скорость течения наблюдается примерно на 0,5 глубины реки. Минимальная скорость течения обычно бывает в придонном слое воды и у самых берегов. Кривая изменения величин скоростей течения по вертикали называется эпюрой скоростей. Форма эпюры скоростей обычно определяется условиями, при которых измеряются скорости. К ним относятся направление (по отношению к течению) и скорость ветра, присутствие или отсутствие ледяного покрова, характер дна русла и др.
   Вертикальное распределение скоростей течений в реке, отражаемое эпюрами, свидетельствует, что вода переносится главным образом в самых верхних слоях речного потока. Нижележащие, а тем более придонные воды распространяются медленнее поверхностных, что создает особенности в движении вод во всей реке, влияющие на ее экологическое состояние.
//-- Температура речной воды --//
   Температура речной воды является одним из важнейших факторов ее физического состояния. Наряду с минерализацией и химическим составом растворенных веществ, она определяет качество воды, влияет на биологические процессы в реке, ее замерзание и таяние льда. Температура воды в реке определяется солнечной радиацией и тесно связанной с ней температурой воздуха. Термические условия реки формируются, с одной стороны, в результате теплообмена между водой и окружающей средой – атмосферой, с другой – ложем русла. При отсутствии льда составляющими теплообмена «воздух—вода» являются: поглощение водой прямой и рассеянной солнечной радиации, эффективное излучение, непосредственный обмен теплом с атмосферой на поверхности ее соприкосновения с водой, затрата тепла на испарение и выделение его при конденсации водяных паров.
   В реке, покрытой льдом, интенсивность теплообмена между водой и воздухом резко снижается. Лед и выпадающий на него снег уже при толщине 10–20 см практически прекращают доступ к воде лучистой энергии Солнца и исключают встречное излучение, при этом прекращаются конденсация и испарение с водной поверхности.
   Роль тепла, приносимого грунтовыми водами, незначительна, хотя в некоторых реках она может быть заметной, особенно в зимнее время.
   Распространение тепла, поступающего к поверхности раздела воды с атмосферой и грунтами, происходит в процессе турбулентного перемешивания воды, свойственного рекам.
   Температура воды на поверхности распределяется довольно однородно по живому сечению реки, что связано с интенсивным турбулентным перемешиванием.
   Летом температура воды на поверхности у берегов выше, чем в середине реки. Осенью поверхностная температура воды у берегов немного ниже, чем в остальной части поперечного сечения реки.
   Температура воды мало изменяется по глубине реки, что также объясняется турбулентностью речного потока. Различия в величине температуры воды по вертикали более отчетливо выражены в сезон прогрева и менее заметны – в сезон охлаждения реки.
   Каждой реке свойственны свои показатели температуры воды. В естественных условиях изменения температуры воды в реках по их длине зависят от видов питания, особенностей теплового режима и свойств ландшафтных зон, по которым текут реки.
   На реках, текущих с юга на север, это повышение прекращается при переходе из лесостепной зоны в лесную. Далее к северу температура воды в реке понижается. В степной и лесостепной зонах нагрев речных вод происходит наиболее интенсивно, а притоки, протекающие в этих зонах, несут более теплые воды, чем главная река.
   На горных реках температура также повышается вниз по течению. При этом летом температура воды повышается на всем протяжении реки до устья; весной и осенью, а на некоторых реках и зимой, повышение температуры воды прекращается при выходе из предгорий.
   Температура воды в реке во многом зависит от температуры воздуха, поэтому можно наблюдать совпадение временных изменений температур воды и воздуха. Колебания температуры воздуха происходят более резко, чем воды. Обычно суточные изменения температуры воды невелики, особенно осенью и зимой. Наиболее значительны сезонные изменения температуры воды в реках умеренных широт.
   Таяние снега, льда и поступление талых вод с поверхности суши в реки начинается после перехода температуры воздуха через 0 °C. Сначала оттаивает снег на льду, появляется вода поверх льда, заполняются образовавшиеся в ледяном покрове поры; лед приобретает более темный цвет. Дальнейшее разрушение ледяного покрова происходит под влиянием солнечной радиации, которая вызывает нагревание воды и таяние льда возле берегов за счет прогревающихся почв, а также под влиянием поступления в реку талых вод, поднимающих ледяной покров. Разрушение льда начинается у берегов и на перекатах. При дальнейшем поступлении талых вод уровень в реке повышается, всплывшие ледяные поля перемещаются на некоторое расстояние вниз по течению, происходит подвижка льда. В результате подвижки льда среди ледяного покрова появляются пространства свободной воды, называемые разводьями.
   Дальнейший приток талых вод и повышение уровня в реке способствуют поднятию, разламыванию потерявшего свою прочность ледяного покрова и передвижению его вниз по течению – начинается весенний ледоход. Весенний ледоход по своей мощности обычно превосходит осенний, так как в нем участвуют большие массы воды и льда, движущиеся со значительными скоростями. Толщина передвигающихся льдин во время весеннего ледохода достигает 1–2 м на больших сибирских реках. Большие массы льда, нагромождаясь в местах сужения русла, у островов, на крутых поворотах и у других препятствий, образуют заторы льда. Перед ледоставом на реках образуется шуга – скопления рыхлого губчатого льда.
//-- Уровень рек --//
   Изучение колебаний уровня воды в реках имеет большое значение для хозяйственной деятельности. На судоходных реках эти колебания определяют глубины и возможность плавания на отдельных участках. При прохождении высоких вод могут затапливаться населенные пункты, расположенные в прибрежной зоне, что в некоторых случаях связано с большими бедствиями. При наличии детально изученного уровенного режима возможно рациональное строительство различных гидротехнических сооружений (гидростанций, плотин, мостов, пристаней и др.). Осуществление мелиоративных мероприятий (орошение, осушение), связанных со строительством каналов, также требует изучения уровенного режима рек. Уровень воды в реке является важным экологическим показателем состояния реки.
   Уровнем воды в реке называется положение свободной водной поверхности над некоторой условной плоскостью. Уровень воды в реке постоянно изменяется. Основной причиной его изменений является приток воды в реку от талых вод снегов и ледников, дождей и подземных вод. Чем больше приток воды, тем значительнее повышается уровень; малому притоку соответствуют низкие меженные уровни. Кроме этой основной причины, на колебания уровня могут оказывать влияние следующие факторы:
   1) ледовые явления (появление поверхностного и внутриводного льда), создающие дополнительное сопротивление движению воды, при преодолении которого уменьшается скорость течения и повышается уровень воды;
   2) русловые деформации, вызывающие понижение или повышение дна русла реки вследствие размыва или отложения наносов, сопровождаются понижением или повышением уровня воды;
   3) зарастание русла водной растительностью уменьшает пропускную способность русла реки, увеличивает шероховатость дна и вызывает повышение уровня воды;
   4) ветровые явления (нагоны и сгоны) вызывают повышение и понижение уровня воды, особенно в устьевых участках рек; при этом, если ветер дует против течения реки, происходит нагон воды и уровень в реке повышается, при направлении ветра по течению происходит сгон воды и уровень понижается;
   5) приливы и отливы в морях периодически изменяют положение уровня воды в устьях рек;
   6) искусственные сооружения (водоподъемные плотины, запруды, мосты, насосные станции, оросительные водозаборы и пр.) нарушают естественный режим уровней, т. е. создают разность высот уровня воды выше и ниже сооружения; в зависимости от работы этих сооружений происходят колебания уровня воды на участке и выше и ниже этих сооружений.
   В ряде случаев колебания уровня воды в реках вызываются одновременно многими причинами и имеют сложный характер.
   В зависимости от преобладания поверхностного или подземного питания, в течение года на равнинных реках имеются периоды, значительно различающиеся по колебаниям уровня и водности: весеннее половодье, летняя межень, осенний период, зимняя межень.
   Колебания уровня воды по длине реки зависят прежде всего от изменения расхода воды.
   Наблюдения за уровнем воды рек производятся на специально устанавливаемых водомерных постах. На основе многолетних непрерывных наблюдений на водомерном посту можно установить общий характер колебаний уровня реки и определить следующие характеристики уровенного режима в пункте наблюдений: амплитуду колебаний уровня, повторяемость и продолжительность стояния уровня воды и характерные уровни, свойственные отдельным фазам режима реки.
   Для характеристики режима уровней воды реки в каком-либо пункте по данным таблицы «Ежедневные уровни воды» строятся хронологические графики колебаний средних суточных уровней за отдельные календарные годы. По горизонтальной оси графика откладывается время в днях за весь год, а по вертикальной – уровни воды.
   При наличии многолетних наблюдений за уровнями воды и ледовыми явлениями на реке в данном пункте обычно строят совмещенные графики колебаний уровня воды за характерные годы: многоводный, средневодный и маловодный.
   Для характеристики уровенного режима реки вдоль по течению служат совмещенные графики колебаний уровня воды за календарные годы, построенные по данным нескольких водомерных постов в абсолютных отметках. Такие графики дают наглядное представление о развитии и затухании паводков и ходе изменения уровня по длине реки, а также позволяют установить амплитуду колебаний уровня.
   Амплитудой колебаний уровня воды в реке называется разность между наивысшим и наинизшим уровнями для какого-либо пункта на реке за данный период времени. Амплитуда колебаний уровня воды изменяется по длине реки, обычно постепенно увеличиваясь от истока до предустьевого участка и уменьшаясь в устьевых участках реки.
   Колебания уровня реки вызываются различными причинами, среди которых основная – изменение водности, т. е. изменение расхода воды, что связано с выпадением осадков, таянием снега и льда и поступлением этих вод в реку. Интенсивное пополнение реки водой приводит к резкому изменению уровня в течение суток. За это время он может измениться на 1–2 м.
   Изменение уровня в реке имеет в среднем закономерный ход. Обычно максимальные высоты уровня наблюдаются весной в результате таяния льда и снега. К лету он снижается, и примерно с середины и до конца этого сезона уровень в реке занимает самое низкое положение. Тогда наступает сезон межени. Снижение уровня обычно связано со значительным летним испарением, уменьшением количества осадков. С начала и до середины осени уровень несколько повышается по сравнению с меженью, что объясняется увеличением осадков в этот сезон. Зимой подо льдом уровень обычно ниже, чем в осеннее время. Такой режим уровня характерен для рек умеренных и, частично, северных широт. В засушливых зонах имеются свои особенности сезонного изменения уровня.
   По-разному изменяется уровень на разных участках реки, что связано влиянием местных особенностей природных условий. Характерные изменения уровня и их местные различия служат основными показателями уровенного режима рек.
//-- Характер движения воды --//
   Движение воды в естественных потоках носит довольно сложный характер. Существуют два различных вида движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное.
   Ламинарное движение характеризуется следующими признаками:
   1. Векторы скорости воды потока имеют постоянное, независимое от времени направление; они могут быть параллельны основному движению жидкости и криволинейны при обтекании какого-либо препятствия в потоке. Отдельные струи в потоке никогда не пересекаются.
   2. Скорости у дна и стенок всегда равны нулю и плавно возрастают к поверхности.
   3. Движение жидкости зависит от ее вязкости (вязкость – свойство жидкости иметь внутреннее трение); потери на сопротивление пропорциональны первой степени скорости течения.
   Турбулентное движение жидкости имеет следующие особенности:
   1. Вектор скорости в каждой точке потока имеет пульсирующее значение, т. е. изменяется во времени как по величине, так и по направлению.
   2. Скорость течения от нуля на дне быстро возрастает в пределах тонкого придонного слоя, где и имеет конечное значение, которое в практике обычно относят к самому дну; выше к водной поверхности нарастание скоростей происходит медленнее.
   3. Движение практически не зависит от вязкости жидкости, и потери на сопротивление пропорциональны квадрату скорости течения.
   Ламинарное движение встречается в природе только в однородных мелкозернистых водоносных пластах с очень малыми скоростями течения подземных вод и может быть создано в искусственных потоках (лотках) малых размеров. Оно возможно до известного предела скоростей и глубин, после чего переходит в турбулентное движение.
   Движение воды в естественных потоках и толщах крупного галечника или в трещинах скальных пород имеет турбулентный характер. При турбулентном движении происходит перемешивание всей массы воды от дна до ее поверхности. Перемешивание водной массы усиливается при увеличении скорости течения.
   Скорость течения представляет собой путь, пройденный частицами воды потока в единицу времени, и измеряется в метрах в секунду (м/с).
   Распределение скоростей в реке может быть самым разнообразным в зависимости от очертания русла реки в плане, чередования глубин на плёсах и перекатах, наличия водной растительности или ледовых образований, изменения уклона по длине реки, шероховатости дна и берегов и от влияния ветра. Характер течения воды в потоке на прямолинейном участке отличается от характера течения на закруглениях; течение также различно на глубоких и мелких участках, в русле реки и на пойме. Кроме того, скорости меняются при изменениях уровня воды; обычно с повышением уровня при правильной форме русла скорости течения воды возрастают.
   В каждой точке поперечного сечения реки, кроме местной мгновенной скорости, изменяющейся во времени по величине и направлению, различают еще так называемую усредненную скорость. Под усредненной скоростью следует понимать среднее значение скорости, вычисленное по мгновенным скоростям в данной точке для некоторого промежутка времени. По сравнению с непрерывно меняющимися мгновенными скоростями, измеренная за достаточно длительный промежуток времени (обычно не менее 100 с) усредненная скорость имеет устойчивое значение.
   По ширине реки со свободной водной поверхностью скорости обычно увеличиваются от берегов к середине реки. Распределение поверхностных скоростей по ширине реки может быть представлено плавной кривой, называемой эпюрой скоростей по ширине реки. Наибольшая скорость обычно наблюдается в местах наибольших глубин; на изгибах русла она располагается ближе к вогнутому берегу, а на прямолинейном участке реки – в средней части потока; на пойме скорости значительно меньше, чем в коренном русле.
   Распределение скоростей по глубине реки можно изобразить графически – путем построения так называемого годографа – эпюры распределения скоростей по вертикали. Наибольшая скорость находится на поверхности воды и плавно уменьшается ко дну, вблизи которого имеет наименьшее значение. Очертания эпюр скоростей в зависимости от разных местных условий (неровности дна, ветра, подводной растительности) могут быть различными.
   На плёсе скорости меньше, чем на перекате, и скорости воды у дна значительно отличаются от поверхностных. На перекате скорости значительно больше, чем на плёсе, и у дна имеют значения, в некоторых случаях мало отличающиеся от поверхностных. Скорость течения на участке перед резким повышением дна уменьшается; эпюра скоростей в этом случае может иметь излом на высоте гребня препятствия, ниже которого скорости резко уменьшаются, и у дна иногда имеют нулевые значения.
   При зарастании русла водной растительностью в значительной мере уменьшается скорость у дна потока вследствие увеличения шероховатости дна. В устьях некоторых рек, подверженных влиянию сгонно-нагонных явлений, а также действию прилива и отлива, могут возникать течения противоположных направлений.
   Существенное отличие представляет распределение скоростей по глубине при наличии ледяного покрова. В этом случае максимальная скорость наблюдается ближе к середине глубины потока, что объясняется наличием дополнительного трения о нижнюю поверхность льда, которая может быть гладкой при кристаллическом льде или очень неровной – при наличии губчатого льда (шуги).
   Поверхностное питание (снеговое, дождевое, ледниковое) характерно тем, что создает небольшую минерализацию с преобладанием в речной воде ионов кальция и магния. Такой состав ионов объясняется тем, что поверхностные воды могут выщелачивать из почвы только те соли, которые находятся близ поверхности земли.
   Подземные воды, питающие реки, имеют большую минерализацию. Это объясняется тем, что они более продолжительное время соприкасаются с почвами и породами и выщелачивают из них большее количество растворимых веществ. Подземные воды приносят в реки ионы легкорастворимых солей.
//-- Деформации русла реки --//
   Русло реки под действием текущей воды подвержено различным деформациям. Изменчивость речного русла зависит от многих причин, среди которых основными являются: а) уклон реки; б) диаметр твердых частиц, из которых состоит ее ложе; в) интенсивность колебаний уровня и расхода воды; г) геологическое строение прилегающей к реке части водосбора, влияющее на выносы наносов из оврагов и небольших притоков; д) ледовые явления на реках, особенно заторы; е) климатическая характеристика водосбора; ж) наличие гидротехнических сооружений и озер.
   Основными элементами процесса деформации речных русел являются эрозия и аккумуляция, соотношения между которыми тесно связаны с транспортирующей способностью потока и содержанием наносов в нем. В том случае, когда поток насыщен наносами в большей мере, чем он может переносить, происходит аккумуляция наносов. При недостаточном насыщении наносами по сравнению с транспортирующей способностью потока происходит размыв русла.
   Эрозия русла, наблюдающаяся в потоке, бывает глубинной и боковой. Глубинная эрозия проявляется путем врезания потока в дно реки. Она приводит к изменению высотного положения русла. Боковая эрозия характеризуется расширением и перемещением потока; она вызывает изменение планового очертания русла. Боковая эрозия проявляется в размыве берегов реки, в результате чего происходит расширение русла, меандрирование и блуждание его в аллювиальных отложениях, слагающих пойму реки. Воздействие текущего потока на размывы берегов сопровождается обрушением и сползанием грунта с откосов, что зависит от сопротивляемости размыву пород, в которых протекает река, и от водности потока. Значительное расширение потока наблюдается в устьевых участках рек, где речной поток оказывается не в состоянии смыть большое количество отложившихся наносов и вынужден вырабатывать себе русло за счет размыва берегов.
   Процесс воздействия потока на русло неодинаков по длине реки. В верхнем течении, где значительные скорости течения, эрозия преобладает над аккумуляцией, и русло реки постепенно углубляется. Перемещение наносов приводит к периодическому изменению размеров и форм русла – перемещение песчаных гряд, боковых отмелей и кос, сезонные размывы и намывы перекатов и плёсов, развитие и отмирание извилин русла и т. п. Периодические деформации имеют обратимый характер и приводят к тому, что в среднем размеры русла и его формы не меняются.
   В среднем течении реки эрозия и аккумуляция обычно уравновешиваются, вследствие чего эти участки находятся в состоянии некоторого равновесия. В нижней части течения преобладают аккумуляция и боковая эрозия. Эти участки реки получают сверху большее количество наносов, чем выносится рекой в море или озеро. Здесь происходят повышение дна потока, рост дельты.
   Русловые деформации в значительной мере зависят от перемещения наносов, поступающих с поверхности водосбора. Периодические деформации носят обратимый характер и приводят к тому, что в среднем размеры русла и его формы не меняются.
   В русле реки наблюдается также процесс размыва потоком коренных пород и выноса этих материалов в приемный водоем. Этот процесс приводит к медленным односторонним и необратимым деформациям – изменению продольного профиля, расширению склонов долины, повышению дна продольного профиля реки.
   Для характеристики степени деформации русла реки производятся периодические промеры глубин и плановые съемки или аэрофотосъемки, которые позволяют выявить развитие процессов глубинной эрозии, аккумуляции и изменения плановых очертаний исследуемого участка реки. Изучение деформации речного русла необходимо для возведения на реках различных гидротехнических сооружений для судоходства и изучения водоносности реки.
   Русловой процесс – это изменение морфологического строения речного русла, постоянно проходящее под действием текущей воды. Проявляется русловой процесс в размывах русла, переносах и аккумуляции наносов.
   Деформация речного русла определяется соотношением между расходом наносов и транспортирующей способностью потока и связана с непрерывными отложениями наносов. Деформации речных русел и пойм осуществляются в виде перемещения определенных образований; их вид, форма, движение и изменения зависят от природных условий, в которых происходит движение наносов.
   Основные русловые образования сложены донными наносами, а в пойменных образованиях возрастает роль взвешенных наносов.
   Деформации русла представляют собой перемещение наносов из периферических районов гидрографической сети (из зон эрозии) к аккумулятивным устьевым участкам.
   Все русловые деформации подразделяются на необратимые и обратимые. Необратимые деформации прежде всего выражаются в изменении продольного профиля реки и ее внутренней структуры; деформации русел и пойм развиваются в условиях влияния ограничивающих факторов, главный из которых – геологические особенности речной долины. Необратимые деформации приводят к некоторым изменениям строения бассейна и рельефа; эти видоизменения, в свою очередь, воздействуют на характер стока воды и наносов.
   Обратимые деформации выражаются в перемещении в русле реки крупных песчаных гряд; в сезонных чередованиях намыва и размыва дна на плёсах и перекатах; в подмывах и намывах берегов русла, вызывающих разрушение старых и образование новых участков пойм; в образовании новых протоков и отмирании стариц.
//-- Морфология рек --//
   Постепенно в ходе переотложений наносов возникают морфологические образования и русловой процесс приобретает морфологическое строение.
   Основными факторами, определяющими структуру, размеры, взаиморасположение, вид деформаций, являются характеристики стока воды и наносов, а также условия, ограничивающие свободное развитие руслового процесса, т. е. геологическое строение речных долин, местные базисы эрозии и другие высотные ограничения, определяющие уклоны реки.
   Различные сочетания стока воды, наносов и ограничивающих условий приводят к образованию различных схем деформаций речных русел и пойм, в ходе которых процесс переотложения наносов также осуществляется различными путями.
   Растительный покров склонов речного бассейна оказывает замедляющее и аккумулирующее действие, уменьшая объем и силу потока, а также замедляет процессы выветривания и эрозии, что обеспечивает устойчивость речных русел. На скорость потока влияет также шероховатость склонов и русла.
   Область питания реки расположена, как правило, на больших высотах и представляет собой своеобразную форму воронки, опущенной в ущелье или в узкий лог. Транзитная область представляет собой ущелье, куда со всей воронки поступают наносы, которые вместе с принесшей их водой устремляются вниз селевым потоком.
   Сель – это грязевые или грязе-каменные потоки, внезапно возникающие в руслах горных рек вследствие интенсивного паводка, вызванного интенсивными ливнями или снеготаянием, а также деятельностью человека. Наибольшую силу сель приобретает перед выходом в долину. Крутой уклон ущелья обычно сменяется пологим уклоном долины, ширина ущелья увеличивается, и поток разливается веером по долине в виде конусообразного возвышения, которое называют конусом выноса.
   Сплошная вырубка лесов, распахивание склонов также способствуют образованию селя. Лесонасаждения, гидротехнические мероприятия способствуют уменьшению объема и силы селевого паводка.
   С точки зрения состава селевой массы все селевые потоки подразделяют на три категории: грязевые, грязе-каменные и водно-каменные.
   Грязевые сели представляют собой густую песчано-глинистую массу, которая при прекращении движения как бы медленно застывает – наподобие лавы.
   Грязе-каменные сели состоят из взвешенных потоком мельчайших частиц (песок, ил, лёсс), а также крупных наносов (галька, мелкие камни). В состав селевой массы входят и крупные камни, они передвигаются под действием больших скоростей и давлений, возникающих при прорыве временных заторов из камней. При остановке селевая масса также медленно застывает. Эти сели характерны для речек, стекающих с южного склона восточной части Главного Кавказа.
   Водно-каменные сели имеют малую мутность, что обусловлено меньшим содержанием песчано-глинистых фракций и преобладанием более крупных камней неправильной формы.
   Скорость селевых потоков по приближенным данным составляет 2–5 м/с. Продолжительность их – от нескольких минут до нескольких часов – в зависимости от продолжительности ливня. Однако наиболее часто продолжительность селевых потоков составляет один-два часа. Селевые потоки отмечаются преимущественно в горных районах.
   Селевые потоки иногда приносят большой ущерб народному хозяйству; они нередко разрушают гидротехнические сооружения и населенные пункты, засыпают плодородные земли. Для защиты от селевых потоков крупных населенных пунктов и плодородных земель осуществляют ряд мероприятий, в том числе строятся гидротехнические сооружения. К таким сооружениям относятся плотины, запирающие выход реки из ущелья и создающие водохранилища для отложения наносов; поперечные запруды, задачей которых является уменьшение продольных уклонов и прекращение глубинного и бокового размыва; котлованы-наносоуловители для улавливания камней и наносов.
   Кроме этого, в горных районах проводят агротехнические и мелиоративные мероприятия: укрепляют почвы против эрозии, не допускают неправильной распашки склонов, производят насаждение лесов на горных склонах. Леса не только укрепляют почву, но и помогают предупредить возникновение селевых паводков. В местах, где леса не могут расти, насаждают кустарники с мощной корневой системой (саксаул, шиповник), а в зоне альпийских лугов проводят травосеяние.
   Ограждающие и селенаправляющие сооружения не всегда оправдывают свое назначение, поэтому действует служба наблюдения за селями и оповещения населения об их прохождении.
   Для предупреждения населения городов, поселков и других объектов, расположенных в горных и предгорных районах страны, о прохождении селевых потоков применяется радиотелеметрическая автоматически действующая установка – радиооповеститель селя. Внедрение этой установки в практику позволяет заблаговременно предупреждать прохождение селя и обеспечивает быстрое принятие мер по эвакуации населения и материальных ценностей из селеопасных зон.
   На интенсивность выветривания и на эрозионные процессы влияют климатические характеристики водосборной площади бассейна реки. Резкие изменения дневных и ночных температур ускоряют процесс разрушения пород. В районах с частыми обильными осадками усиливается эрозия почвы и активизируются оползневые явления.
   Оползни – это скользящие смещения масс земли вниз по склону под влиянием силы тяжести. Среди прочих причин возникновения оползней необходимо отметить строительную и сельскохозяйственную деятельность человека, проводимую без учета геологических условий местности (например, разрушение склонов дорожными выемками, чрезмерный полив садов и огородов и т. п.).
   Таким образом, в гидрологическом режиме рек просматривается и экологический аспект.

3.4. Озера и водохранилища

   Озером называется заполненное водой замкнутое углубление суши, не являющееся частью Мирового океана. Это естественный водоем суши, имеющий замедленный водообмен.
   В озере обычно выделяется несколько основных элементов:
   – котловина – естественное понижение земной поверхности, в пределах которого расположено озеро;
   – ложе (или чаша) озера – поверхность, непосредственно занятая водой;
   – береговая область, включающая береговой уступ, побережье и береговую отмель;
   – глубоководная часть озера;
   – дно озера;
   – плёс – часть озера, ограниченная очертаниями берегов и рельефом дна;
   – заливы, бухты, губы – части озера, вдающиеся в сушу.
   Количественные показатели размеров и формы озера называются его морфометрическими характеристиками. Основными из них являются:
   – площадь озера (площадь его водной поверхности или зеркала);
   – объем озера, т. е. объем воды в озере;
   – длина озера – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками его береговой линии, измеряемое по поверхности водоема;
   – ширина озера – расстояние между двумя противоположными берегами озера;
   – длина береговой линии;
   – глубина (средняя и максимальная) озера;
   – форма озерной котловины – отношение средней глубины к глубине положения центра тяжести воды в озере.
   Морфологические элементы и морфометрические характеристики озера отражают особенности его природных условий как естественного водоема суши.
   Существенным природным показателем озера служит его водообмен, который тоже неодинаков в разных озерах. По характеру водообмена выделяются:
   – сточные озера, сбрасывающие часть своих вод в виде речного стока;
   – бессточные озера, лишенные стока воды;
   – проточные озера, у которых одна из рек, впадающих в озеро, приносит примерно столько же воды, сколько выносит река, вытекающая из озера;
   – временно сточные озера, или озера с перемежающимся стоком, когда сток из озера наблюдается лишь периодически, во время наибольшего притока воды в озеро.
   Сточные озера характеризуются различной интенсивностью водообмена, играющего важную роль в гидрологических, гидрохимических и других процессах.
   Как и каждый раствор, озерная вода содержит то или иное количество растворенных элементов и веществ. В зависимости от величины их концентрации в воде выделяют:
   – пресные озера;
   – солоноватые;
   – соленые.
   Сточные и проточные озера обычно бывают пресными, а бессточные, как правило, – солоноватые и соленые. Пространственное распределение каждой из этих групп озер определяется главным образом климатом; составом горных пород, слагающих местность; режимом грунтовых вод рельефом местности и др.
   Родиной соленых озер являются степи и пустыни; здесь мало осадков и велико испарение, а рельеф преимущественно равнинный, следствием чего является слабый сток воды.
   Объем воды в озере не остается постоянным: часть ее удаляется, часть поступает в него извне. Соотношение питания озера и потерь воды из него характеризуется его водным балансом. Им определяются объем воды и его изменения во времени, а следовательно, и основные черты режима озера.
   Водный баланс любого озера обычно выражает соотношение приходной и расходной частей, учитываемых за определенный промежуток времени. К составляющим приходной части относятся: атмосферные осадки, выпадающие на поверхность озера; приток поверхностных вод; конденсация водяного пара атмосферы на поверхности озера, подземный сток. Составляющие расходной части: сток из озера; испарение с водной поверхности, подземный отток (фильтрация) из озера. Поверхностный сток включает в себя сток реки, вытекающей из озера, и отбор воды на хозяйственные нужды. Водный баланс обычно составляется за месяц, год, многолетний период, а величины его составляющих за это время выражаются в км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Речной сток и атмосферные осадки являются основными составляющими в поступлении вод. Расходование воды в сточных озерах осуществляется главным образом за счет вытекания из них речных вод и испарения, в бессточных – за счет испарения.
   Структурой водного баланса является соотношение между различными его приходными и расходными составляющими; структура водного баланса неодинакова для озер, расположенных в разных климатических зонах, и изменяется внутри района, в зависимости от размеров озера и его бассейна, а также от их соотношения. Так, для климатической зоны постоянного увлажнения характерно превышение суммы осадков в среднем за год над испарением с водной поверхности. В зоне с малым увлажнением испарение превышает осадки. В первой зоне озера всегда сточные, а во второй, как правило, бессточные.
   Многолетние и внутригодовые изменения водного баланса и его элементов отражаются на многих сторонах природы озера, и прежде всего на положении уровня воды в нем.
   Колебания уровня озера обычно происходят при изменениях объема воды в нем; колебания происходят в основном вследствие колебаний величин, составляющих водный баланс, которые не остаются постоянными в течение года и на протяжении многих лет.
   Высота стояния уровня воды в озере изменяется по сезонам. В весенне-летнее время, когда наблюдаются большой речной сток и обильные осадки, уровень обычно занимает наиболее высокое положение. Затем он понижается и становится наиболее низким к концу зимы. Подъем и спад уровня обычно происходят плавно, но иногда эти процессы нарушаются резким увеличением или уменьшением речного стока и осадков.
   В разных климатических зонах годовой ход уровня имеет свои особенности, связанные с характером поступления и расходования вод в озерах, что отражается на изменениях положения уровня в озере.
   Вековые и многолетние колебания уровня воды в озерах определяются в основном климатическими причинами.
   Колебания уровня в озере зависят не только от изменения объема воды, но и от перераспределения существующего в озере количества воды по его пространству (при нарушении горизонтального положения водной поверхности). Наиболее характерны сгонно-нагонные колебания, которые вызывает ветер. При длительном устойчивом действии ветра происходят нагон – повышение уровня воды у наветренного берега (куда дует ветер) и сгон – понижение уровня у подветренного берега (откуда дует ветер). Чем сильнее и дольше дует ветер, тем больше нагон и выше уровень в одной части озера, значительнее сгон и ниже уровень в другой его части.
   После прекращения действия ветра вода в озере стремится возвратиться в положение равновесия, что вызывает постепенно затухающие колебания уровня – сейши. Они наиболее характерны для крупных озер.
   Кроме перемещения вод, вызывающего изменения положения уровня, в озере наблюдаются и другие виды колебательных и поступательных движений воды. Первый из них представлен волнениями, второй – течениями. В большинстве случаев оба вида движений сочетаются в каждом озере.
   Как и на морях, волнение в озерах вызывает ветер, воздействием которого определяются размеры волн. Основными показателями этого воздействия являются скорость, продолжительность и длина разгона ветра, а также размеры и глубина озера. В большинстве случаев размеры озера сравнительно невелики, а глубины малы, что обусловливает определенные особенности характера волнения в озере.
   К наиболее существенным из них относится зыбь. Волнение в озере возникает и развивается быстрее, чем на море; оно скорее затухает и прекращается. Зыбь наблюдается сравнительно редко и в основном на крупных озерах. Волны обычно имеют неправильную форму.
   Высота волны в озере меньше, чем на море. Так, на малых озерах высота волн обычно не превышает 0,5 м, на крупных озерах преобладают волны высотой порядка 0,5–0,8 м, а максимальные достигают 3–4 м, иногда 5–6 м.
   Волны на озерах обычно более крутые, чем на морях. При несколько большей крутизне происходит обрушение гребня волны и ее разрушение.
//-- Течение воды в озерах --//
   В озерах течения вызываются главным образом ветром, стоком рек, неравномерным распределением температуры воды. На течения в озере влияют глубина и рельеф дна. В соответствии с причинами возникновения течений они разделяются на несколько видов.
   Ветровые течения – течения, вызываемые ветром. В большинстве случаев направление поверхностных течений совпадает с направлением ветра. Вследствие относительно ограниченных размеров озера воздействие отклоняющей силы вращения Земли практически не сказывается на направлении течения. Ветровые течения наблюдаются только в удалении от берегов.
   Ветровые течения в озере отличаются большим непостоянством из-за изменчивости ветровых условий и влияния особенностей местных факторов. Скорости ветровых течений на поверхности обычно невелики и редко превышают 0,5 м/с.
   Скорости течений изменяются с глубиной вследствие увеличения трения подповерхностных водных слоев. Толщина слоя воды, охватываемого течением, и степень уменьшения скорости значительно изменяются в зависимости от местных условий. Иногда ветровые течения прослеживаются до больших глубин.
   Стоковые течения – течения, возникающие под влиянием притока речных вод в озеро или оттока воды из озера. В результате того или иного процесса создается наклон уровня воды в озере. Уровень выше в районе притока вод и постепенно понижается по мере удаления от этого района. Соответственно возникают течения из района с высоким уровнем к районам с пониженным уровнем. Эти течения имеются во всем озере, но наиболее интенсивны в приустьевых его частях. Скорости течений уменьшаются с удалением от устьевых зон. Возле устья скорости течений достигают 1–2 м/с.
   Плотностные течения – течения, возникающие в связи с разностью величин плотности воды, обусловленной неодинаковой температурой и минерализацией воды. Эти течения направлены из районов с повышенной плотностью озерной воды к районам с пониженной ее плотностью. Скорости плотностных течений составляют 0,35—0,5 м/с.
   Компенсационные течения – течения, обусловленные сгонно-нагонными процессами.
//-- Тепловой баланс озер --//
   Величины температур воды, их распределение на поверхности и по глубинам определяют термическое состояние озера – одну из важнейших его характеристик.
   Вода в озере всегда содержит большее или меньшее количество тепла, т. е. обладает некоторым его запасом, который, как и величины температур воды, зависит от показателей составляющих теплового баланса.
   К главным составляющим приходной части теплового баланса относятся: солнечная радиация; поступление тепла из атмосферы при турбулентном теплообмене, от донных грунтов, с речным стоком и с подземными водами; выделение теплоты при конденсации водяного пара и при льдообразовании. Основные составляющие расходной части теплового баланса следующие: затраты тепла на эффективное излучение, на передачу тепла атмосфере при турбулентном теплообмене, на приход тепла в грунт дна; расход тепла на испарение и таяние льда. Тепло частично уносится водами рек, вытекающими из озера (для сточных озер), и с подземным оттоком.
   Наибольший вклад в приходную часть теплового баланса несет прямая и рассеянная солнечная радиация, а в его расходную часть – потери тепла на испарение.
   Термическое состояние озера в любой промежуток времени определяется его географическим положением и связанными с этим климатическими условиями. Оно также зависит от динамики вод, обусловленной воздействием метеорологических факторов, речным стоком, размером и формой котловины. В соответствии с этим температура воды различна не только в озерах различных климатических зон, но и в озерах, расположенных в пределах одной зоны.
   Нагревание и охлаждение воды в озере происходит главным образом через его поверхность. Этим в основном обусловлено горизонтальное распределение поверхностной температуры воды. Оно характеризуется большей или меньшей неоднородностью на пространстве озера, которая выражена тем резче, чем сложнее очертания берегов и форма котловины озера. Температура воды на поверхности у берегов заметно отличается от температуры в открытых районах озера. Вследствие малых глубин у берегов вода здесь нагревается и остывает быстрее, чем на относительно глубоких частях озера. На небольших и мелких озерах горизонтальные различия поверхностной температуры воды довольно невелики. Поверхность озера повсюду прогрета примерно одинаково. В озерах тропических и экваториальных широт температура воды на поверхности практически мало изменяется в течение года.
   Температура воды изменяется по вертикали, но ее распределение с глубиной неодинаково в разные сезоны года. Это особенно наглядно проявляется в озерах умеренных и северных широт. Поздней осенью и особенно зимой, когда озера обычно замерзают, температура воды в них повышается с глубиной. В это время температура воды на поверхности и в самом верхнем слое имеет наиболее низкие значения. С глубиной она увеличивается и в придонных водах мелких озер может быть равной +0,5 – +1,0 °C, в глубоких озерах может достигать +2 – +4 °C.
   С началом весеннего прогрева, который происходит еще при ледяном покрове и продолжается после очищения озера ото льда, температура воды на поверхности становится несколько выше, чем температура подстилающих слоев. В это время минимальные значения температуры воды наблюдаются в подповерхностном слое. При усилении прогрева поверхности озера ее температура повышается; величина температуры начинает выравниваться по глубине. В это время температура всей толщи воды в озере близка к +4 °C (температура наибольшей плотности пресной воды). Летом прогрев поверхностных вод озера усиливается, они приобретают наиболее высокую температуру. Нижележащие слои имеют невысокую температуру, у дна температура воды заметно ниже.
//-- Морфология озер --//
   Размеры озер земного шара варьируют в широких пределах по основным показателям: площади, объему, глубине.
   Частицы наносов, приносимые реками, осаждаясь вблизи речных устьев, формируют со временем дельты, которые, разрастаясь, уменьшают емкость озера.
   Выравнивание озерного ложа происходит также в результате заполнения котловины органическими отложениями, образующимися при отмирании растительных и животных организмов, населяющих озеро.
   С течением времени первоначальный рельеф озерной котловины сглаживается, озеро мелеет, зарастает и умирает. Все озера в геологическом смысле являются временными образованиями и рано или поздно исчезают. Такой цикл развития озера совершается непрерывно. Различают следующие стадии развития озера:
   1) стадия юности – первоначальный рельеф котловины остается неизменным;
   2) стадия зрелости – вокруг озера появляется береговая отмель, а в устьях рек формируются дельты, но отдельные неровности дна котловины еще сохраняются;
   3) стадия старости – озеро окружено склонами дельт и осыпями береговых отмелей; аллювиальные отложения распространены повсеместно и выравнивают озерную котловину;
   4) стадия угасания и отмирания – озеро мелеет настолько, что центральная донная равнина располагается почти вровень с береговыми отмелями и непосредственно переходит в них. Водная растительность распространяется повсеместно, переходит из подводной в надводную (болотную), и озеро превращается в болото.
   Заболачивание водоемов является нормальным процессом их развития и протекает в зависимости от степени проточности их вод, размеров, характера рельефа дна, крутизны подводных склонов и климатических условий.
   Озера с пологими подводными склонами и глубинами, постепенно увеличивающимися к центру, заболачиваются в результате зарастания болотной растительностью, окаймляющей озеро концентрическими зонами. Каждая зона характеризуется определенным видом растительности, которая развивается в зависимости от степени освещенности воды, глубины, температуры и т. д. На берегу и в мелководной прибрежной зоне (с глубинами до 1 м) поселяются осоки, стрелолист, лютики, незабудки. Они находятся в воде не постоянно, а только при повышении уровня. Далее (до глубины 2 м) располагается зона камышей, тростников и рогоза, стебли которых могут значительно возвышаться над водой. Следующую зону (на глубине 2,5–3 м) образуют полупогруженные растения: белые кувшинки, желтые кубышки, водяная гречиха, листья и цветы которых плавают по поверхности воды; затем (на глубине 3–5 м) следует зона погруженных широколистных растений. Еще далее к центру озера (на глубине 5—12 м) размещаются растения, не требовательные к свету, образуя зону подводных лугов, состоящих из водяных мхов и сине-зеленых водорослей.
   Отмирающая растительность, опускаясь на дно, почти не разлагается вследствие недостатка в воде кислорода и, накапливаясь, повышает дно котловины; озеро постепенно мелеет. При уменьшении глубин в той или иной зоне происходит перемещение растительных зон, которые, сменяя одна другую, продвигаются от берегов к центру озера, способствуя его полному зарастанию и превращению в болото.
   Биологические процессы в озерах связаны с наличием в них не только растительности, но и планктона, который способен противостоять переносу его течениями. В состав планктона входят мельчайшие растения (фитопланктон) и животные (зоопланктон). Фитопланктон нуждается в солнечном свете и распространяется на глубину до 100 м. Зоопланктон населяет всю толщу воды. Зоопланктон включает в себя веслоногих и ветвистоусых рачков и коловраток, а также икру и личинок рыб. Обильное развитие фитопланктона может привести к цветению воды, при котором могут выделяться токсины, вызывающие массовую гибель живых организмов.
   Живое население дна озер называется бентосом, а активно плавающих животных, включая рыбу и раков, называют нектоном.
   По типу питательности вод озера делятся на евротрофные – богатые планктоном, бентосом и нектоном (низинные озера); олиготрофные – с невысоким уровнем заселенности живыми организмами (верховые озера); дистрофные – умирающие озера с низким жизненным потенциалом, в том числе вызванным влиянием человека (например, загрязнением воды озер химическими стоками).
//-- Водохранилища --//
   В гидросферу Земли входят не только различные естественные, но и искусственно созданные водные объекты (водохранилища). Они включают в себя и собственно водохранилища, и малые рукотворные водоемы – пруды и копани (земляные выемки, заполненные водой).
   Водохранилище является искусственным водоемом объемом более 1 млн. м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, с замедленным водообменом, уровенный режим которого постоянно регулируется гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов воды для хозяйственных и социальных потребностей.
   Водохранилища создаются путем возведения плотин, перегораживающих долину реки, и путем насыпки валов вокруг речной поймы. В водохранилища превращаются некоторые озера вследствие повышения их уровня с помощью плотин, построенных возле потоков вытекающих из них рек. Тем самым создаются условия для накопления воды, регулирования ее количества в водохранилищах с последующими водохозяйственными мероприятиями.
   Разные места создания водохранилищ, особенности их морфологии, неодинаковые способы заполнения их водой свидетельствуют о природном разнообразии водохранилищ и, следовательно, о целесообразности их классификации.
   По морфологическому признаку выделяется тип долинных водохранилищ, ложем которых служит часть речной долины. Главный признак таких водохранилищ – уклон дна и увеличение глубин от верхней части водоема к плотине. Второй тип – котловинные водохранилища. К ним относятся зарегулированные озера, а также водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных от моря заливах и лиманах, в искусственных выемках.
   По способу заполнения водой различают запрудные водохранилища, заполняемые водой водотоков, на которых они расположены, и наливные, когда вода в них подается из близлежащего водоема или водотока.
   По географическому положению выделяются горные, предгорные, равнинные и приморские водохранилища.
   По месту в речном бассейне выделяются верховые и низовые водохранилища.
   Система водохранилищ на реке называется каскадом. В зависимости от промежутка времени водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования.
   Приведенная классификация отражает главные черты, присущие определенным группам водохранилищ, что весьма существенно для понимания их природы. Вместе с тем водохранилища – специфическая природно-хозяйственная часть географической среды, которой присущи общие закономерности.
   Водохранилища антропогенные – это управляемые человеком объекты, но они испытывают также и сильнейшее воздействие природных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное положение между природными и техническими образованиями.
   Водохранилищам свойственна особая система внутриводоемных процессов – гидрологических, гидрофизических, химических и биологических.
   Для природно-хозяйственных водохранилищ характерна высокая динамичность развития под воздействием различных факторов.
   Водохранилища заметно, а иногда и значительно воздействуют на окружающую среду и экологическую ситуацию, вызывая изменение природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях. Эти изменения могут быть благоприятными и неблагоприятными.
   Водохранилища – водоемы, обычно весьма интенсивно используемые в различных отраслях хозяйства. На каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс, в который входят отрасли, заинтересованные в создании водохранилищ, и отрасли, использующие уже существующие водохранилища.
   В практике создания и эксплуатации водохранилища осуществляются два основных процесса. Первый – аккумуляция стока в подготовленном для этого углублении (котловине). Время аккумуляции воды называют наполнением водохранилища. Через определенное время после его заполнения происходит второй процесс – отдача воды из водохранилища. Он называется сработкой водохранилища. Как наполнение, так и сработка происходят до определенных уровней. Высший проектный уровень водохранилища, такой, который могут выдержать подпорные сооружения в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем. Он не остается постоянным. Соответственно изменяются основные характеристики водохранилища – площадь его поверхности и объем воды в нем.
   Водный баланс водохранилища, как и в других водоемах, состоит из приходной и расходной частей. Важная черта его структуры – преобладание притока речных вод в приходной части и преобладание стока вод – в расходной. На долю осадков приходится 2–3 % прихода воды, на испарение – не более 10 % расхода воды. Эти данные характерны для большинства водохранилищ.
   Положение уровня воды в водохранилище непостоянно во времени и пространстве, что связано с особенностями его эксплуатации. Наиболее значительно уровень изменяется при наполнении и сработке водохранилища, т. е. искусственным путем в процессе регулирования стока. Он перераспределяется в течение различных промежутков времени.
   Многолетнее регулирование стока, а через него – и положения уровня обычно производится на крупных водохранилищах, объем воды в которых равен примерно 20–50 % годового стока реки. При многолетнем регулировании сток перераспределяется между многоводными и маловодными годами. В ходе регулирования уровень воды в водохранилище в разные годы находится на неодинаковых максимальных отметках, что приводит к нестабильному развитию процессов в береговой зоне.
   Внутригодовые (сезонные) колебания уровня связаны с естественными и искусственными процессами. Весной во время половодья водохранилище быстро наполняется до наибольших отметок, обычно до нормального подпорного уровня. Это наивысший проектный уровень водохранилища, выше которого подъем уровня, как правило, не допускается. С середины лета и примерно до конца зимы, а иногда до начала половодья следующего года в результате сработки водохранилища уровень воды в нем значительно понижается. После спада уровня осенью и зимой происходит его некоторое повышение за счет пополнения водохранилища водой речного стока. Наиболее значительные сезонные колебания уровня наблюдаются между весенним наполнением и осенне-зимней сработкой водохранилища. В этот промежуток времени на равнинных водохранилищах колебания уровня достигают 5–7 м, а на горных – 50–80 м, т. е. они значительно больше, чем на озерах.
   В водохранилищах меньше, чем в озерах, величины недельных и суточных колебаний уровня. На больших водохранилищах изменения уровня воды неодинаковы на разных участках. Они наиболее значительны в нижней части водохранилища. По мере удаления от плотины к верхней зоне водохранилища ход уровня становится близким к изменению уровня в низовьях реки в естественном состоянии – в половодье и в межень.
   Водохранилищам свойственна сложная, различная по происхождению система течений. Обычно довольно отчетливо проявляются стоковые, ветровые и компенсационные течения.
   Стоковые течения относительно устойчивы. Они наиболее развиты во время наполнения водохранилища в затопленных речных руслах. Их скорости измеряются в см/с.
   Ветровые течения наблюдаются в основном на крупных водохранилищах, в их центральных и прилежащих к ним районах. По направлению и скорости ветровые течения неустойчивы и развиваются в соответствии со скоростями и продолжительностью действия ветров.
   Компенсационные течения возникают в результате сгонно-нагонных процессов.
   В результате взаимодействия этих видов течений в водохранилище формируется нестационарная система транзитно-циркуляционных течений, различная на различных его участках. Постоянные стоковые течения обусловливают проточность водохранилищ, а также переформирование их берегов.
   На водохранилищах волнение зависит от размеров водоема, скорости и продолжительности действия ветра. Обычно оно наиболее значительно на глубоких озеровидных расширениях водохранилища. На больших водохранилищах высота волн достигает 2–3 м и более.
   Основное предназначение водохранилищ – аккумуляция питьевой воды и создание условий для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях (ГЭС). В свое время в СССР был создан ряд крупных водохранилищ без учета современных экологических требований, что привело к затоплению плодородных земель и нарушению условий существования экологических систем. Например, на Волге осетровая рыба не может преодолеть плотины, направляясь в районы нереста.
   Таким образом, при проектировании и эксплуатации искусственных водоемов необходимо проводить тщательную экологическую экспертизу, включающую всесторонний учет современных экологических требований.

3.5. Болота и ледники

//-- Болота --//
   Болотом называется природное образование, представляющее собой участок земной поверхности с избыточным увлажнением верхних его слоев в течение большей части года, наличием процесса торфообразования и специфической болотной растительностью, которая приспособлена к избытку влаги и недостатку кислорода в почве. Болота развиваются при застойном или слабопроточном увлажнении верхних слоев грунта. Слой торфа на болоте имеет толщину, при которой живые корни основной массы болотных растений не достигают подстилающего минерального грунта.
   При малой толщине торфа корни большинства растений располагаются в минеральном грунте – такие пространства называются заболоченными землями. Заболоченные земли являются начальной фазой формирующихся болот и отличаются от них иным характером болотной растительности. Это объясняется тем, что корни ее, связанные с минеральным грунтом, имеют лучшие условия питания.
   Возникновение болот связано с образованием и накоплением торфа. Торф – органическая порода, образующаяся при уплотнении полуразложившихся остатков болотных растений. Если прирост растительной массы преобладает над количеством ежегодно разлагающегося растительного материала, происходит быстрый рост торфяных залежей и заболачивание территории. Этот процесс протекает особенно интенсивно при благоприятном сочетании водного и теплового режимов и характерен для области избыточного увлажнения умеренного климата. Толщина слоя торфа здесь достигает 8–9 м и более.
   Болота возникают в результате зарастания водоемов и заболачивания суши.
   Заболачивание суши происходит при определенных физико-географических условиях, способствующих замедленному стоку или даже застою вод на земной поверхности и переувлажнению почв. Длительное переувлажнение приводит к ухудшению кислородного и минерального питания растений и развитию нетребовательной к питанию болотной растительности; отмирая и не полностью разлагаясь, она превращается в торф.
   Образование болот на суше происходит при следующих условиях:
   1. При залегании близ поверхности земли водоупорного слоя (глины) и наличии значительного количества атмосферных осадков происходит избыточное увлажнение верхнего слоя почвы. В этих условиях в хвойных лесах появляются мхи, которые удерживают в себе значительное количество воды, затрудняя доступ кислорода к отмершим остаткам растений, в результате чего происходит накопление торфа. Насыщенный водой слой торфа и живых мхов прекращает доступ кислорода в почву, корни деревьев задыхаются, заболевают и гибнут.
   2. Интенсивное заболачивание происходит в местах лесных порубок и пожаров, расположенных не только в низинах, но и на возвышенностях. Появляющаяся злаковая растительность образует плотную дернину, при которой происходит застаивание влаги и переувлажнение почвы.
   3. Заболачивание происходит вследствие затрудненного стока вешних вод с речных долин в русла рек из-за малых уклонов или наличия береговых валов выносов.
   4. Небольшие болота формируются у подножия склонов речных долин при наличии выхода грунтовых вод и развития болотной растительности.
   5. На водоразделах болота могут образоваться в мелких впадинах, в местах выноса грунтовыми водами из-под слоя глины растворимых солей или мелкопесчаного грунта.
   6. Интенсивное заболачивание земель наблюдается в районах вечной мерзлоты. Она является водоупорным слоем, над которым происходит переувлажнение грунта за счет скапливающихся почвенных вод.
   Болота возникают и в результате деятельности человека, например при создании водохранилищ.
   В заболачивании заливных лугов большую роль играет естественное развитие растительности. При интенсивном ее разрастании образуется плотная дернина, затрудняющая доступ кислорода к почве. При этом появляется избыток перегнойных кислот, большинство луговых растений гибнет и заменяется осоками и мхами.
   Болота классифицируются по некоторым общим для них признакам: по условиям водно-минерального питания, характеру растительности и высотному положению по отношению к окружающей местности. Различают три основных типа болот: низинные, переходные и верховые.
   Низинные (травяные) болота появляются при зарастании водоемов; они распространены в поймах рек, в понижениях рельефа и называются так по занимаемому ими положению. Эти болота покрыты травяной растительностью: различного рода осоками, тростником, камышом, зелеными мхами. Они получают обильное питание за счет грунтовых вод, а также периодически затапливаются паводковыми водами рек, за счет чего постоянно обогащаются минеральными солями, поддерживающими развитие травяной растительности, требовательной к питанию. Поверхность этих болот слабовогнутая или плоская.
   Постепенно уровень низинных болот повышается вследствие неполного разложения растительных остатков и накопления торфа. В результате этого болота уже не затапливаются речными водами. Питание их грунтовыми водами также ослабевает, а количество минеральных питательных веществ в болоте уменьшается. Это приводит к постепенной замене травяной растительности менее прихотливыми к питанию зелеными мхами, кустарниками и древесной растительностью (черная ольха, береза). В этой стадии болото называется переходным или лесным, для него характерна смешанная растительность; переходные болота имеют плоскую поверхность.
   Дальнейшее накопление торфа приводит к тому, что переходное болото теряет связь с грунтовыми водами и получает питание только за счет атмосферных осадков. Количество питательных веществ в болоте уменьшается еще больше, в результате распространяются неприхотливые к питанию растения: белые сфагновые мхи и кустарники (вереск, багульник и пр.), иногда встречается угнетенная сосна. Такое болото по своему положению верховое и имеет моховую растительность. Поверхность таких болот слабовыпуклая, так как нарастание мхов и накопление торфа в них происходит в центре быстрее, чем у краев, где процессы разложения растительных остатков протекают более интенсивно. Иногда центральная часть болота возвышается над его окраинными частями на 7–8 м. Моховые болота быстро разрастаются вширь и занимают большие пространства, располагаясь как на водоразделах, так и на склонах возвышенностей.
   Болота как экосистема являются экологическим резерватом природы; они отличаются большим своеобразием вследствие того, что содержат различное количество воды, удерживаемой сухим веществом торфа. Эта водоудерживающая способность торфа зависит от степени его разложения.
   В торфяном слое имеется свободная и связанная вода. Свободная вода под влиянием силы тяжести может стекать в сторону уклона. Она встречается в виде постоянных болотных ручьев, речек, озер и озерков, водяных линз, в каналах внутри торфа или в виде временных скоплений на поверхности болота после сильных дождей, снеготаяния или разливов рек.
   Связанная с торфяной массой вода не отделяется под действием силы тяжести.
   Торфяная масса болот в зависимости от степени насыщения водой характеризуется различными свойствами, из которых основными являются влажность, или влагоемкость, водопроницаемость и водоотдача.
   Болота являются обособленными экосистемами, имеющими свои законы образования и развития, со своим растительным и животным миром. Влияние на них человека (в том числе их осушение) может привести к гибели этих экосистем.
   Гидрологический режим болот определяется условиями их питания, колебанием уровня грунтовых вод, процессами испарения, движения воды, стока с болот, их замерзания и оттаивания.
   Болота имеют как поверхностное питание (атмосферные осадки, стекающие поверхностные воды), так и грунтовое.
   Роль каждого из этих видов питания различна для разных типов болот; она обусловлена их местоположением, характером рельефа и болотной растительности, а также климатическими условиями. Верховые болота являются болотами атмосферного питания. Низинные болота получают наибольшее питание во время периодического затопления вешними, речными или озерными водами, а также питаются грунтовыми водами и атмосферными осадками.
   Уровень грунтовых вод в болотах зависит от климатических факторов (осадки, испарение), характера рельефа и вида болотной растительности. В годовом ходе уровня всем типам болот свойственно наличие двух максимумов и двух минимумов. Первый максимум наступает весной в период снеготаяния, он сменяется летним минимумом (июль-август), обусловленным интенсивным испарением. Осенью (сентябрь-октябрь), в период уменьшения испарения и выпадения дождей, уровень грунтовых вод снова повышается, и наконец зимой (февраль – начало марта) на болотах наступает второй минимум, который характеризуется отсутствием атмосферного питания.
   Наиболее низкое стояние уровней грунтовых вод относительно поверхности болота наблюдается в крупном древостое (сосняк, кустарничково-сфагновая растительность). По мере уменьшения густоты облесения и высоты древостоя глубина залегания грунтовых вод и их колебания уменьшаются. На высоту стояния грунтовых вод влияют также осушительные мероприятия, в результате которых уровень воды снижается.
   Движение воды в болоте происходит путем ее фильтрации по вертикали и в сторону уклона, а также в виде водоносных жил и внутризалежных потоков, находящихся в торфе.
   Благодаря большой водопроницаемости активного слоя выпадающие осадки, быстро просачиваясь, достигают уровня грунтовых вод, поэтому стока их по поверхности болот не происходит. Обильные дожди и талые воды способствуют быстрому пополнению грунтовых вод, уровень которых поднимается до поверхности болота.
   Влияние болот на речной сток и его внутригодовое распределение определяется специфическими особенностями, свойственными болотам разных типов, а также принадлежностью их к определенным климатическим зонам.
   Общими свойствами, характерными для всех болот и влияющими на сток с них, являются: большее, чем с окружающей местности, испарение; незначительный объем воды, участвующей во внутригодовом водообороте (несмотря на большие запасы ее в торфяной залежи), а также малая водоотдача в сухое время года.
   К специфическим особенностям болот разных типов, влияющим на сток с них, относятся источники питания и содержание свободной воды в болотном массиве.
   В европейской части РФ наибольшее количество болот расположено в зоне избыточного увлажнения, т. е. на северо-западе и севере. Значительной заболоченностью характеризуются зона тундры, средняя и северная часть Карелии. На западе европейской части России болота располагаются преимущественно в понижениях, а на востоке – на водоразделах. Большой заболоченностью отличаются низменности с близким от поверхности залеганием подземных вод. Здесь преобладают низинные болота.
   В азиатской части РФ наиболее заболочена Западная Сибирь. До 70 % ее территории покрывают болота различных типов. Значительной заболоченностью отличаются широколиственные леса Дальнего Востока; мощные торфяные болота встречаются на Камчатке.
   Осушенные низинные болота используются для сельскохозяйственного производства: в качестве сенокосных угодий, для посева зерновых, технических и овощных культур, разведения садов и пр. Осушенные земли способны давать в течение многих лет высокие урожаи, однако, прежде чем осушать болота, следует провести научные исследования и с учетом современных экологических требований обосновать проведение этих работ.
   Торфяные болота в РФ служат источниками топлива для промышленности и теплоэлектростанций.
   Торф применяется для изготовления изоляционных строительных материалов, картона, бумаги и пр. При переработке торф дает ряд ценных химических продуктов: торфяную смолу, бензин, керосин, аммиак, спирт и др.
   Широкое применение имеет торф в сельском хозяйстве в качестве азотистого удобрения. Верхние слои слаборазложившегося торфа (моховой очес) являются хорошей подстилкой для скота на животноводческих фермах.
//-- Ледники --//
   Температура воздуха понижается с повышением местности, поэтому на некоторой высоте, где она становится отрицательной, осадки на земную поверхность выпадают в виде снега. Продолжительность его залегания зависит от изменения температурных условий. При длительном периоде с отрицательными температурами снег накапливается в больших количествах и таяние его задерживается. Поэтому в горах и областях, где в течение года преобладают отрицательные температуры, со временем происходит накопление вечных снегов.
   В зависимости от сочетания климатических условий, главным образом температур воздуха и количества выпадающих осадков, на некоторой высоте над уровнем моря располагается зона, для которой количество выпадающего за год снега равно его убыли за счет испарения и таяния. Эта зона является нижней границей распространения снега и называется климатической снеговой линией. В связи с изменением климатических условий на разных широтах высота снеговой линии различна.
   Накоплению вечных снегов благоприятствует климат, приближающийся по типу к океаническому и характеризующийся обилием твердых осадков и прохладным летом, в течение которого они не тают. Континентальный же климат – с сухой зимой и жарким летом – не способствует накоплению вечных снегов.
   Высота климатической снеговой линии изменяется в разные годы в зависимости от метеорологических условий.
   Орографическая снеговая линия является нижней границей снега, который располагается в углублениях, ущельях, на затененных склонах гор ниже климатической снеговой линии. Например, на Северном Урале в глубоких и затененных нитевидных углублениях (карах) существуют небольшие ледники, залегающие на сравнительно небольших высотах: от 500 до 1000 м над уровнем моря.
   Снег, выпадающий выше снеговой линии, при наличии благоприятных для его накопления форм рельефа образует снежники, в которых с течением времени он подвергается значительным преобразованиям. Под влиянием солнечного тепла снег сверху подтаивает, талая вода просачивается в толщу снега и ночью и, замерзая, образует ледяную корку, называемую настом. При этом происходит оседание и уплотнение снежных масс.
   Последующие снегопады способствуют накоплению снега; под его тяжестью нижние слои все более уплотняются, приобретая зернистое строение, и превращаются в фирн.
   Фирн представляет собой зернистую ледяную массу, залегающую в виде слоев различной толщины (от нескольких миллиметров до десятков сантиметров), разделенных ледяными прослойками наста, толщина которого бывает от 1 до 500 мм.
   Слоистое строение фирна объясняется периодичностью выпадения снега. Фирн – масса серовато-белого цвета плотностью 0,3—0,5 кг/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Размер зерен в фирновом слое с глубиной возрастает. В результате все увеличивающегося давления верхних слоев фирна на нижние происходит уплотнение и смерзание зерен, и спрессованная масса фирна переходит в белый от находящихся в нем пузырьков воздуха непрозрачный фирновый лед, который имеет плотность 0,85 кг/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. С увеличением давления фирновый лед превращается в прозрачный кристаллический глетчерный лед голубого цвета плотностью 0,88—0,91 кг/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Изменение цвета и плотности при образовании глетчерного льда обусловлено постепенным удалением из масс льда пузырьков воздуха.
   Скопления глетчерного льда образуют ледники, или глетчеры.
   Ледником называется скопление льда на суше, возникающее за длительный период времени в результате преобразования твердых атмосферных осадков, когда их приход превышает таяние снега. Ледник постоянно движется под влиянием силы тяжести.
   Основным источником питания ледников являются твердые атмосферные осадки, накапливающиеся выше снеговой линии. Второстепенными источниками питания являются горная изморозь, твердый налет, а также конденсация водяных паров, особенно в нижней части ледника, расположенной ниже снеговой линии.
   К дополнительным источникам питания относятся также перенос снега метелями и снежные лавины. Ветер переносит большое количество снега и откладывает его в вогнутых формах рельефа, местах, где располагаются горные ледники, составляя около 15 % их питания.
   Лавины или снежные обвалы обрушиваются с горных склонов, имеющих крутизну более 15° и толщину снега от 0,5 м и выше; они неизбежны в горных районах с расчлененным рельефом и могут образовываться как в холодную, так и в теплую часть года.
   Лавины холодного периода (зимние) образуются в том случае, когда свежий снег, выпадающий на обмерзшую поверхность старого, накопившись в большом количестве, начинает сползать по склону и, дойдя до крутого перегиба, обрушивается.
   По своему строению ледники делятся на три типа: наземные, шельфовые и горные. В наземных ледниках лед растекается в разные стороны независимо от рельефа дна долины; в шельфовых – от берега к морю; в горных – вниз по долинам или склонам. В свою очередь, горные ледники делятся на висячие, залегающие на крутых склонах, и каровые, расположенные в углублениях горной породы. Так называемые долинные ледники имеют большую протяженность (свыше 5000 м).
   При движении ледника в нем возникают боковые, продольные и поперечные трещины.
   Боковые трещины в леднике образуются вследствие различных скоростей передвижения льда в осевой и прибрежной частях ледника. Эти трещины направлены от краев ледника вверх под углом 30–45°; в дальнейшем при движении ледника направление их меняется.
   Продольные трещины возникают в теле ледника при выходе его из суженной части долины в широкую.
   Поперечные трещины образуются при наличии в ложе ледника уступа, расположенного поперек долины. На крутых перегибах могут образовываться ледопады. Такие участки ледника рассечены многочисленными трещинами.
   Подобно рекам, отдельные ледники могут при встрече сливаться в общий ледник.
   При своем движении ледники производят большую работу по преобразованию земной поверхности: участвуют в создании особых форм рельефа и своеобразных горных пород (валунные суглинки). Стекая по склонам гор, ледник за счет камней, вмерзших в его тело, производит ледниковую эрозию.
   Все продукты разрушения горных пород (от мелкой пыли до крупных обломков), попавшие на поверхность ледника и в его тело, называются мореной. Морены, перемещающиеся вместе со льдом, называются движущимися. Морены, прекратившие свое движение, называются отложенными.
   При исследовании ледников установлено, что их размеры (мощность, площадь, длина) претерпевают изменения – колебания, зависящие как от условий питания, так и от интенсивности их таяния. Если приход питания ледника равен убыли, то это определит неизменность размеров ледника – его стационарное положение. Если же питание превышает таяние, размеры ледника увеличиваются, ледниковый язык делается длиннее и спускается ниже по долине. Такие движения ледников наблюдаются в Альпах, на Кавказе, Памире и в других районах земного шара и зачастую сопровождаются катастрофами (уничтожение населенных пунктов, лесов, прорыв подпрудных озер).
   Таким образом, колебания ледников обусловлены изменением климатических факторов, имеют сезонный характер или охватывают более длительные промежутки времени (многолетние колебания). В настоящее время площадь большинства ледников земного шара уменьшается за счет парникового эффекта, наблюдается их таяние.
   Ледники являются своего рода регуляторами запасов влаги на Земле, так как, накапливая ее зимой (в виде снега и льда), расходуют в летнее время. При этом в зоне ледникового языка появляется множество потоков талой воды, текущих как по поверхности льда, образовав себе борозды, так и в виде подледниковых ручьев. Сливаясь, эти ручьи дают начало рекам. Таяние ледника зависит от температуры воздуха и размеров ледника, достигая максимума в летнее время. Поэтому реки ледникового питания имеют наибольшую водность в летнее время (июль– август).
   Вследствие того что температура воздуха имеет суточный ход, реки ледникового питания в верховьях характеризуются суточным ходом уровня воды, т. е. наличием в течение суток максимума и минимума.
   Реки ледникового питания, кроме того, отличаются растянутым летним половодьем, обусловленным таянием не только самого ледника, но и высокогорных снегов. Колебания водности рек ледникового питания в многолетнем разрезе не так значительны, как колебания равнинных рек.
   Воды ледниковых рек широко используются для орошения и обводнения земель засушливых районов, так как наибольшая водность их наблюдается в летний период года. Для планирования такого использования ведется учет водных ресурсов ледников, заключающийся в определении объемов льда в них: измеряются площадь ледника – путем геодезической съемки и глубина (мощность) льда на отдельных поперечниках – с помощью специальных приборов.
   Ледники, являясь продуктом климата и ландшафта, очень разнообразны по своим формам, происхождению и развитию.
   В зависимости от морфологических и динамических признаков различают ледники горные и покровные. Горные ледники приурочены к скальному рельефу, и их форма определяется особенностями земной поверхности, а сток льда происходит по направлению снижения долин. В отличие от горных, покровные ледники покрывают всю поверхность суши независимо от рельефа, который, будучи погребен, мало или почти не отражается на их поверхности. Они в виде мощных щитов покрывают почти сплошь Антарктиду и Гренландию, некоторые полярные острова Северной Америки, Европы и Азии. Ледниковые щиты имеют громадные размеры и округлую плоско-выпуклую форму. Толщина ледяных щитов достигает тысяч метров, например в Гренландии – 1700 м, в Антарктиде – 4000 м.
   Накопление снега в ледниковых щитах происходит в центре, а расходование – на периферии. В соответствии с общим уклоном поверхности ледникового щита движение льда происходит по расходящимся линиям от наиболее высоких центральных частей к окраинам. Таяние у покровных ледников незначительно, а убыль льда происходит путем откалывания от окраинной их части спустившихся в море ледяных глыб, всплывающих затем в виде различных по форме и размеру ледяных гор, или айсбергов.
   Размеры айсбергов различны; принято считать айсбергом ледяную гору, возвышающуюся над уровнем моря не менее чем на 5 м, при меньшей высоте это будет обломок айсберга. Вследствие меньшей, чем у морской воды, плотности айсберги оказываются погруженными в воду на 4/5 или 6/7 своего объема.
   Ледники, так же как и болота, являются экосистемами, оказывающими большое влияние на экологическую ситуацию на Земле. Одним из путей спасения ледников от антропогенного воздействия является ограничение всеми странами выбросов в атмосферу продуктов сжигания топлива (окислов углерода, азота и серы), что позволило бы уменьшить парниковый эффект.

3.6. Подземные воды

   Подземные воды – это воды, которые в жидком, твердом или газообразном состоянии находятся в земной коре и активно взаимодействуют с атмосферой и поверхностными водами (океанами, морями, реками, озерами и болотами), участвуют в круговороте воды на земном шаре. Они представлены в основном капиллярной и свободной (гравитационной) водой, а также перемещающимся в порах грунта водяным паром.
   Подземные воды образуются преимущественно в результате просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод, а частично за счет конденсации водяного пара, проникающего из более глубоких земных слоев и атмосферы. На ложе океанов и морей подземные воды образуются из океанических и морских вод в процессе седиментации, т. е. отложения наносов.
   По происхождению подземные воды подразделяют на следующие группы:
   – инфильтрационные – воды, просачивающиеся в земную кору через зернистые породы;
   – инфлюационные – воды, втекающие с поверхности по трещинам и пустотам горных пород;
   – конденсационные – воды, образующиеся из парообразной влаги воздуха, заключенного в подземных порах, трещинах и других пустотах;
   – ювенильные – воды магматического происхождения;
   – седиментационные – воды осадочных пород.
   Подземные воды Земли подразделяются на две группы: подземные воды суши и подземные воды под океанами и морями.
   Подземные воды суши разделяются на два вида. Один из них – подземные воды зоны аэрации. Эта зона охватывает верхние, не насыщенные водой слои грунта, включая почву от дерновой поверхности до уровня грунтовых вод. Через эту зону подземные воды связываются с атмосферой. Другой вид – подземные воды зоны насыщения. Она характеризуется полным заполнением жидкой водой пор и пустот в ее пределах. Верхней границей этой зоны служит зона аэрации, или зона многолетнемерзлых грунтов, а нижней – глубина распространения величин температур, при которых невозможно существование жидкой воды. В зоне насыщения находятся разные по гидравлическим условиям типы вод: безнапорные грунтовые – воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта; артезианские – напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами; глубинные – напорные воды, расположенные на больших глубинах, испытывающие воздействие гидростатического давления.
   По характеру пустот в горных породах подземные воды делятся на поровые (в песках), трещинные (в гранитах и песчаниках) и карстовые (в растворимых известняках и глинах).
   По химическому составу подземные воды близки к поверхностным водам суши, в них преобладают карбонаты. Подземные воды являются природными растворами, содержащими свыше 60-ти химических элементов, в том числе калий, натрий, марганец, железо, алюминий, хлор, сера, углерод, силикаты, азот, кислород и водород. Подземные воды разделяются следующим образом: пресные, солоноватые, соленые и рассолы.
   Минеральные воды имеют повышенное содержание биологически активных веществ и различную температуру. Они оказывают лечебное действие на человека.
   Газовый состав подземных вод характеризуется насыщением их углекислым газом, кислородом, азотом, этиленом и т. п.
   Природные процессы, свойственные подземным водам, сложны, разнообразны и изменчивы во времени и пространстве; их совокупность или отдельные составляющие характеризуются режимом подземных вод. Наибольшим изменениям элементы режима (уровень, температура и др.) подвержены в водоносных горизонтах со свободной водной поверхностью, и тем больше, чем ближе воды расположены к поверхности земли. По своему режиму наиболее изменчивы грунтовые воды. В них проявляются годовые, сезонные и даже суточные колебания наиболее показательных элементов режима. Формирование режима подземных вод связано с их водным балансом.
//-- Водный баланс подземных вод --//
   Составляющие водного баланса подземных вод включают в себя атмосферные осадки, поверхностный сток (приходная часть); испарение с водной поверхности и воду, поступающую в зону аэрации при просачивании в грунт (расходная часть).
   Водный баланс зоны аэрации складывается из воды, проникающей с поверхности, и стока в почвенном слое (подповерхностный слой). Это приходная часть. Расходная часть охватывает воду, поглощаемую корневой системой растений из зоны аэрации, и подземное испарение воды в этой зоне.
   В водном балансе водоносного горизонта грунтовых вод учитываются их питание из зоны аэрации, сток грунтовых вод, испарение с поверхности грунтовых вод, их питание из глубинных напорных горизонтов или разгрузка грунтовых вод в эти глубинные горизонты.
   Роль зоны аэрации и грунтовых вод в формировании водного баланса участков речных бассейнов в разных природных условиях состоит в следующем: зоны аэрации имеют большое значение в вертикальном водообмене в речном бассейне; значительная доля в речном стоке приходится на подземную составляющую; испарение воды растениями играет большую роль в величине испарения.
   Основные составляющие водного баланса подземных вод определяются характером природных условий того или иного района земного шара. Элементы водного баланса зоны аэрации и грунтовых вод в значительной мере зависят от атмосферных осадков, геологического строения района, характера почв, что сказывается на режиме вод.
   От величины и изменения составляющих водного баланса в основном зависит положение уровня подземных вод. Уровень реагирует на изменения их питания, т. е. поступления вод из зоны аэрации, и изменения притока-оттока подземных вод. Величины колебаний уровня грунтовых вод определяются не только изменением запасов вод, но и водными свойствами породы, вмещающей воду, в частности водоотдачей этой породы. Один и тот же объем породы с разными водными свойствами содержит различное количество воды, способной к вытеканию. Чем меньше водоотдача, чем меньше свободной воды способна вмещать порода в единице объема, тем значительнее колебания уровня, происходящие в водоносном слое при прочих равных условиях.
   Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, называются водоносными. Подземные воды, которые находятся под гидростатическим давлением, называются артезианскими.
   Поскольку и величина элементов водного баланса, и водоотдача почвы неодинаковы во времени и пространстве, различны и временные колебания уровня подземных вод. Они бывают многолетними и вызываются колебаниями атмосферных осадков и испарения. Наиболее важны сезонные колебания уровня подземных вод. Они имеют четко выраженный зональный характер, что объясняется особенностями питания и расходования грунтовых вод в различных географических зонах. В районах многолетнемерзлых грунтов подземные воды находятся в жидком состоянии лишь в осенне-зимнее время. Максимальный уровень здесь связан с талым и дождевым питанием и обычно наблюдается в июне-июле, а при продолжительных летних дождях – и в августе-сентябре.
   В умеренных широтах, где в сезонном ходе преобладает весеннее и осеннее питание грунтовых вод, а зимой зона аэрации промерзает, максимально высокое положение уровень занимает весной – за счет питания талыми водами, летом и осенью – за счет обильных дождей. Минимальные высоты уровня наблюдаются обычно в предвесеннее время.
   В южных и западных районах нашей страны, где вследствие непродолжительной и мягкой зимы происходит круглогодичное питание грунтовых вод, осадки практически без перерыва проникают в грунтовые воды. В связи с этим их уровень, начиная с осени, повышается и достигает максимума к середине зимы. К концу зимы, весной и летом возрастают потери воды, так как увеличивается испарение, и минимальный уровень приходится на июль-август.
   Температура грунтовых вод, залегающих неглубоко, определяется влиянием температуры воздуха и температуры вод, проникающих с поверхности.
   Положение зоны с постоянной температурой грунтовых вод наиболее близко к поверхности Земли (всего несколько метров) у экватора, что объясняется небольшой величиной сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности земли. Наиболее глубоко (до 40 м) зона постоянной температуры грунтовых вод наблюдается в условиях резко континентального климата.
   В верхней части подземных вод этой зоны их температура изменяется с севера на юг от 0 до +20 °C, что примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха на поверхности Земли (превышение ее составляет всего 1–3 °C).
   В наиболее теплых южных районах температура грунтовых вод достигает +20 – +25, а местами – +30 – +35 °C, что связано с сильным прогревом поверхности.
   Подземные воды бывают переохлажденными (до —20 °C), холодными (до —4 °C), теплыми (до +37 °C), горячими (до +100 °C) и перегретыми (выше +100 °C).
   В толще земной коры вода находится в разном физическом состоянии (жидком, твердом, газообразном) и распространена практически повсеместно, хотя отдельные ее виды (например, твердая фаза) встречаются не везде.
   Запасы почвенной влаги на Земле исчисляются в 16 500 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а особенности ее залегания в значительной степени обусловлены географическим расположением.
   Зональность распределения грунтовых вод на территории европейской части РФ проявляется, в частности, в том, что в направлении с севера на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются, в них уменьшается содержание органических веществ.
   Зоны грунтовых вод выделены по климатическим и геоморфологическим признакам. Особо выделяются тундровая зона и зона высоких вод на севере, а также овражно-балочная зона причерноморских и прикаспийских балок (балка – сухая долина или большой пологий овраг).
   В настоящее время установлены три обособленные провинции, различающиеся между собой климатическими особенностями и своеобразием распределения грунтовых вод.
   Первая провинция – область многолетней мерзлоты; она характеризуется отрицательными среднегодовыми величинами температуры воздуха. В этой провинции по условиям залегания выделяются надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные подземные воды Надмерзлотные воды залегают вблизи земной поверхности, питаются атмосферными осадками и талыми водами. Мерзлый грунт служит для них водоупором. Межмерзлотные и надмерзлотные воды при выходе на поверхность или в аллювиальные отложения речных долин служат источником питания рек.
   Вторая провинция – область постоянного и переменного увлажнения; охватывает почти всю равнинную часть европейской территории РФ и часть Западно-Сибирской низменности. По мере продвижения с севера на юг минерализация и глубина залегания грунтовых вод увеличиваются.
   Третья провинция – недостаточного увлажнения область. В ней выделяются районы равновесия подземного стока и испарения и районы предгорных равнин.
   Для напорных вод характерно их сосредоточение в артезианских бассейнах. Они распространены в разных районах земного шара. Так, в Европе наиболее известен Парижский артезианский бассейн. Обширные артезианские бассейны имеются в Северной Африке и Австралии. В пределах Русской платформы расположены Московский и Днепровско-Донецкий бассейны. Известны Прибалтийский, Причерноморский, Приазовский, Прикаспийский, а также Якутский и Западно-Сибирский бассейны.
   По способу использования подземные воды делятся на хозяйственно-питьевые, технические и промышленные. При использовании подземных вод возникают экологические проблемы, связанные с их загрязнением химически опасными стоками. К загрязнению грунтовых вод и засорению родников часто приводит создание свалок твердых бытовых отходов. Чрезмерное применение пестицидов и минеральных удобрений также приводит к загрязнению подземных вод. В свою очередь, наличие подземных вод часто приводит к заболачиванию и подтоплению территорий, а также к оползням и осадке грунтов, что вызывает неблагоприятные экологические последствия.

3.7. Мировой океан

   Слово «океан» («великая река, обтекающая Землю») пришло из Древней Греции.
   Из 510 млн. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

площади земного шара площадь в 363 млн. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(70,8 %) покрыта водой Мирового океана.
   Мировой океан – это не только вода, но и его берега, дно, водные животные и растения. При этом Мировой океан понимается как целостное природное образование, самостоятельный географический объект планетарного масштаба. В нем водная среда вступает в сложное взаимодействие с атмосферой, литосферой (материк, берега и дно) и биосферой (органический мир).
   Мировой океан – открытая динамическая система, которая обменивается веществом и энергией со средами, находящимися с ней в контакте. Этот обмен происходит в форме планетарных круговоротов, в которых участвуют тепло, влага, соли и газы. Процессам обмена в этой системе свойственно саморегулирование, направленное на выравнивание природных возмущений и восстановление некоторого равновесия, при котором преобразование веществ в основном сбалансировано.
   Важнейшее свойство Мирового океана – его единство – обеспечивается прежде всего общностью солевого состава и подвижностью вод, их непрерывным горизонтальным и вертикальным движением. В океане происходит перераспределение масс и тепла течениями, перенос вод из одних районов в другие, опускание поверхностных слоев в глубину и подъем глубинных вод к поверхности. Все это создает общую циркуляцию вод Мирового океана.
   На обширных пространствах Мирового океана не одинаковы приход тепла на поверхность и его расход, атмосферная циркуляция и другие явления, что приводит к созданию неоднородностей в распределении гидрологических характеристик (температуры, солености и плотности воды), а также в системах течений, приливов, биологической продуктивности, видового состава организмов и т. д. Природные различия в Мировом океане определяются как глобальными факторами, связанными главным образом с географической широтой, так и местными условиями (влиянием суши, конфигурацией береговой линии, рельефом дна, материковым стоком и др.). Наиболее заметно отличаются друг от друга крупные части океанских пространств, разделенные сушей в процессе формирования Земли.
   Мировой океан делится на четыре океана: Тихий (50 % площади Мирового океана), Атлантический (25 %), Индийский (21 %) и Северный Ледовитый (4 %).
   Деление Мирового океана на части необходимо для решения научных и прикладных задач, и прежде всего для гидрографической службы. В ее задачи входит составление навигационных карт, лоций и других пособий для обеспечения мореплавания в любой части Мирового океана. Мировой океан омывает берега многих государств, каждое из которых имеет право на территориальные воды и особую юрисдикцию в зонах экономических интересов прибрежных стран.
   Мировой океан разделяют по многим признакам. При этом важны обоснованность и четкость проведения границ между отдельными частями. Очевидной естественной границей любой части Мирового океана служит берег, оконтуривающий водные пространства, которые и выделяются как самостоятельные природные объекты. Делят Мировой океан и по степени обособленности его отдельных частей подводными хребтами и возвышенностями, т. е. по геоморфологическим признакам. Разделение Мирового океана усложняется при определении морских границ между его частями. В этом случае границы проводятся по гидрологическим признакам (системы течений, зоны встречи теплых и холодных вод и др.). Границами нередко служат линии, проводимые по карте между характерными пунктами на берегу (например, мысами, входами в бухты и т. п.). Таким образом, разделение Мирового океана включает в себя обоснованное выделение его отдельных частей – природных образований – и проведение правильных границ между ними.
//-- Течения воды в океане --//
   Вода в океанах и морях постоянно циркулирует под действием гравитационных сил, в результате изменения температуры и плотности воды. Циркуляция образует течения: в океанах – океанические, в морях – морские.
   Течения делятся на следующие типы:
   – ветровые (основной вид движения поверхностного слоя воды);
   – плотностные (вызываются силами гравитации);
   – стоковые (образуются за счет разности уровня вод);
   – компенсационные (за счет замены убывшей воды).
   По физико-химическим признакам течения делятся на теплые (Гольфстрим, Куросио) и холодные (Лабрадорское, Курильское), а также на соленые и опресненные течения.
   По характеру изменчивости течения могут быть постоянными, временными и периодическими (приливно-отливными).
   На поверхности океана течения распространяются широкими полосами; на глубине течения медленнее, чем на поверхности, и движутся чаще всего в обратном направлении. Гольфстрим омывает значительную часть берегов Америки и Европы, Куросио – берега Японии и Северной Америки; они создают благоприятные климатические условия на суше.
   Благодаря подвижности частицы воды под действием различных сил выходят из состояния равновесия и начинают колебаться, образуя волны.
   Воды океана перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях. Волны вызываются ветрами, приливами и землетрясениями.
   Ветровые волны образуются под действием трения о склоны наветренных гребней воды. Их развитие начинается с образования ряби. Возрастая, рябь становится гравитационной, увеличивающейся по длине и высоте. Эти волны бегут параллельными рядами и затем распадаются на обособленные гребни. Длина волн может достигать 400 м, а скорость распространения – 15 м/с. Затухание ветровой волны происходит при снижении скорости ветра и уменьшении глубины океана.
   Волны, возникающие за счет сдвига участков дна океана при сильных подводных и прибрежных землетрясениях и извержениях вулканов, называются цунами. Они охватывают всю толщу воды и имеют весьма большую длину. Малая сжимаемость воды и быстрота процесса при этом не позволяют воде растекаться; на ее поверхности возникают возвышения или понижения. Скорость распространения цунами может достигать 1000 км/ч, а высота волны – до 50 м.
   Длинные волны с периодом прохождения до 5 мин называются тягунами; они характерны для портов, бухт и гаваней и возникают под действием ветра. Интенсивность тягуна зависит от периода колебаний собственных вод залива и от изменения его глубины.
   В небольших акваториях иногда возникают внутренние волны, связанные с зыбью.
   Изучение волн имеет практический интерес, связанный с проблемами мореплавания.
//-- Температурный режим океана --//
   В реальных природных условиях величина температуры воды в Мировом океане изменяется в широких пределах по горизонтали, вертикали и во времени. Главные причины этого: значительные различия прогрева вод за счет солнечной радиации и их охлаждения при отдаче тепла в атмосферу в разных районах океана; перераспределение тепла течениями; смешение верхних и нижележащих слоев; образование и таяние льда в высоких широтах.
   Средняя температура поверхностных вод всего Мирового океана равна 17,5 °C. На его обширных пространствах температура может колебаться от —2 до +29 °C. Нижняя граница определяется температурой замерзания, а верхняя – теплообменом на поверхности океана. При этом верхний слой воды толщиной 1 см поглощает до 94 % солнечной энергии.
   В Мировом океане распределение температуры на поверхности носит зональный характер, так как поступление солнечного тепла зависит от географической широты. Оно наибольшее в экваториальной зоне, поэтому в ней наблюдается и самая высокая поверхностная температура воды. Линия наивысшей температуры воды называется термическим экватором. Здесь средняя годовая температура воды составляет +27 – +28 °C. В Северном полушарии эта линия смещается на 7—10 ° к северу летом и к югу – зимой. В тропиках температура воды +25 – +27 °C отмечается в западной части Мирового океана, а в восточных районах она на 8—10 °C ниже, что объясняется притоком относительно холодных вод с севера в Северном и с юга – в Южном полушариях. В умеренных широтах температура воды составляет около +14 – +15 °C в Северном полушарии и около +13 °C – в Южном. В полярных водах температура воды на поверхности находится в пределах от нулевых значений до близких к ним отрицательных величин.
   Широтная изменчивость поверхностной температуры воды неодинакова в разных районах Мирового океана.
   Течения местами переносят более теплые или более холодные воды из одних широтных зон в другие, повышая либо понижая температуру воды в этих районах. Наиболее характерные примеры: перенос теплых вод Гольфстримом в северо-западной части Атлантического океана и течением Куросио – в северозападном районе Тихого океана. В этих районах температура воды на поверхности несколько выше, чем ее среднеширотные значения.
   В тепловом балансе океанических вод значительную роль играют материковые воды, поступающие летом в прибрежную часть Северного Ледовитого океана. Температура воды на поверхности здесь выше по сравнению с ее среднеширотными величинами.
   Средняя годовая температура на поверхности океанов неодинакова: Тихий океан имеет температуру +19,1 °C, Индийский – +17,1 °C, Атлантический – +16,9 °C, Северный Ледовитый —0,75 °C. Высокая среднегодовая температура поверхностных вод Тихого океана объясняется тем, что его пространства располагаются между тропиками, они наиболее прогреваемые и занимают преобладающую часть площади всего океана. В Атлантическом океане заметно ощущается влияние холодных вод Северного Ледовитого океана, который сообщается с Северной Атлантикой. Сезонные изменения температуры воды на поверхности наиболее заметны в полярных и умеренных широтах и невелики у экватора и в тропиках.
   В Мировом океане температура воды неодинакова от поверхности до дна. Она, как правило, понижается с глубиной, но это понижение происходит по-разному в различных районах океана. В общем случае величины температуры сохраняются до горизонтов 50–75 м, откуда они понижаются, что особенно заметно между горизонтами 200—1000 м и, местами, до 2000 м. Глубже воды довольно однородны по температуре, которая несколько понижается до дна; в природных водах она в основном равна +2 – +3 °C.
   Несколько иначе распределяется температура воды по вертикали в Северном Ледовитом океане. На поверхности подо льдом она характеризуется близкими к 0° отрицательными величинами. В подповерхностном слое температура имеет невысокие положительные значения, а на горизонтах 200–800 м она составляет +1,3 – +2,0 °C. Это ее повышение объясняется проникновением в Северный Ледовитый океан теплых атлантических вод, которые заметно повышают температуру в этом слое. Глубже температура воды понижается, и у дна она равна —1,0 °C. Наиболее значительное изменение температуры воды с глубиной наблюдается В экваториально-тропической зоне. В полярных широтах температура воды изменяется по вертикали незначительно.
   Морская вода в полярных широтах замерзает; льды под действием ветра и течений постоянно дрейфуют в южном направлении и тают в экваториальных водах. Многолетние льды называются паковыми. В Арктике их толщина составляет 3–5 м. Материковый лед отрывается от берегов Антарктики и Гренландии и в виде айсбергов также движется к экватору, где и тает.
   Средняя плотность поверхностных вод Мирового океана равна 1,02 г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Величина плотности зависит от температуры и солености воды, а на глубинах – и от давления. Она несколько изменяется по пространствам Мирового океана в соответствии со значениями температуры и солености воды. Самая общая закономерность распределения плотности на поверхности Мирового океана – изменение ее величины от минимальных значений в экваториальной зоне до максимальных в полярных областях. Это объясняется понижением температуры от экватора к полюсам, влияние которой на плотность более значительно, чем воздействие солености.
   Самая низкая плотность воды на поверхности (1,02427) наблюдается в Тихом океане, самая высокая – в Атлантическом океане (1,02543). В Северном Ледовитом океане плотность равна 1,02525, а в Индийском – 1,02488. Низкая плотность воды в Тихом океане связана с особенно большим развитием в нем экваториальной зоны и высоким прогревом поверхностных вод.
   В Мировом океане плотность увеличивается с глубиной. При этом в верхних слоях, примерно до горизонтов 1000–1500 м, она довольно быстро повышается.
   Уровень Мирового океана непрерывно колеблется, особенно у его берегов. Причинами этого являются приливы и отливы, изменение атмосферного давления и плотности морской воды, а также сгонно-нагонные ветры. Периодические колебания уровня океана, связанные с приливами, имеют полусуточный или суточный период. Непериодические колебания носят сезонный характер; их величина составляет 3–5 м. Периодические колебания уровня моря (приливы) обусловлены притяжением Луны. Приливы делятся на долгопериодные (периоды составляют 18,6 года; 1 год; 0,5 года; 1 месяц; 2 недели); суточные (периоды: 25,8 ч; 23,9 ч), полусуточные (12,4 ч и 12,0 ч) и на краткопериодные волны с периодом 0,33 суток. Величина и характер приливов зависят от географической широты, глубины моря и формы береговой линии. Наибольшая высота приливов – 18 м (Атлантическое побережье Канады), в Пенжинской губе (Охотское море) она достигает 13 м. Прилив в реке может вызвать крутую волну.
   Водные массы океана находятся в состоянии постоянного перемешивания, в результате которого происходит их гидрологическое и гидрохимическое выравнивание. Эти процессы проходят в горизонтальном и вертикальном направлениях. Перемешивания имеют турбулентный и конвективный тип. Турбулентное перемешивание происходит под действием ветра и приливов. Приливные перемешивания, происходящие по всей толще воды, происходят периодически. Конвективное (плотностное) перемешивание также происходит по периодам; при этом увеличивается плотность вышележащего слоя за счет повышения температуры и солености воды. Конвекция имеет большое значение при зимнем охлаждении океана. Чем ниже температура слоев воды и чем больше их тепловое различие, тем больше уплотнение слоев воды и глубина их перемешивания. В зоне сходимости течений происходит погружение поверхностных вод; при этом вода получает кислород и обогащается питательными веществами. Эти воды являются ценными в промысловом отношении.
   Экологические проблемы Мирового океана заключаются в его постоянном антропогенном загрязнении (особенно водами впадающих в океан рек). Кроме того, парниковый эффект ускоряет таяние льдов, и соленость океана уменьшается, что приводит к нарушению экологических систем в океане и на земле.

3.8. Справочные гидрологические материалы

   В гидрологии РФ основным нормативным и справочным документом является Государственный водный кадастр (ГВК) – систематизированный свод сведений о водных ресурсах страны. Водный кадастр явился первой крупной работой по обобщению всех материалов гидрологических наблюдений и исследований, способствовал улучшению планирования, проектирования и эксплуатации водохозяйственных сооружений. Впоследствии были накоплены новые материалы наблюдений и исследований на водных объектах страны, повысился уровень научных разработок, возросли требования народного хозяйства к точности гидрологических данных.
   Водный кадастр состоит из трех серий, каждая из которых делится на несколько десятков выпусков. Первая серия – «Гидрологическая изученность» – состоит из выпусков, каждый из которых содержит перечень водных объектов данной территории и их морфометрические характеристики, сведения о стационарных наблюдениях по отдельным элементам водного режима рек и озер и о проводившихся на них экспедиционных исследованиях. Вторая серия – «Основные гидрологические характеристики» – содержит проанализированные табличные материалы с пояснительным текстом по режиму рек, озер и водохранилищ, составленные по данным наблюдений на сети Гидрометеорологической службы РФ и других ведомств. Третья серия – «Ресурсы поверхностных вод» – практическое пособие для проектных и водохозяйственных организаций по расчету гидрологических характеристик, основанное на научном анализе и обобщении данных наблюдений сети гидрологических станций и постов, а также на результатах специальных экспериментальных и экспедиционных исследований.
   Государственный водный кадастр представляет собой систематизированный постоянно пополняемый и уточняемый свод сведений о водных объектах, составляющих единый государственный водный фонд, о режиме, качестве и использовании вод. Данные ГВК предназначены для информационного обеспечения гидрологических работ.
   По мере возрастающей сложности измерений и совершенствования приборов принимаются меры, обеспечивающие единство и достоверность полученных данных. Для этого необходимо обеспечивать единообразие средств измерений и создание комплекса правил, регламентирующих выполнение и обработку результатов измерений, а также эталонной базы и арсенала образцовых средств измерений. Все это составляет основу метрологического обеспечения измерений. Его осуществляет Государственная метрологическая служба РФ – сеть метрологических органов, обеспечивающих единство и достоверность измерений в стране. Этим занимается Всероссийский институт метрологии и стандартизации.
   Государственная метрологическая служба осуществляет комплекс законодательных и контрольных функций, а именно:
   – установление единиц физических величин;
   – создание системы государственных эталонов единиц и образцовых средств измерений;
   – разработка общефедеральных поверочных схем, стандартных методов и средств испытаний;
   – исследования измерений и разработка методов оценки погрешностей;
   – надзор за приборостроением и эксплуатацией средств измерений.
   Органам Государственной метрологической службы предоставлено право контролировать соблюдение правил законодательной метрологии, запрещать серийное производство нестандартных средств измерений и в необходимых случаях изымать такие средства из обращения.
   В состав Государственной метрологической службы входят: ее главный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС), главные центры государственных эталонов – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ), Всероссийский научно-исследовательский центр государственной службы стандартных и справочных данных (ВНИЦ ГСССД), органы государственной метрологической службы в регионах страны.
   В министерствах создаются ведомственные метрологические службы, в состав которых входят головные и базовые организации и отделы, на которые возлагается организация работ по метрологическому обеспечению отраслей народного хозяйства.
   Составной частью Государственной метрологической службы является Государственная служба стандартных образцов (ГССО). Ее задача – обеспечение единства измерений химического состава, физических и других свойств веществ и материалов. Стандартные образцы используются в виде вещества, одно из свойств которого служит для воспроизведения единицы измерений, коэффициентов или условной шкалы. Стандартные образцы выпускаются отдельными экземплярами и серийно после того, как они будут аттестованы.
   В современной науке и технике используется большое количество веществ и материалов, и не всегда удается получить достоверную информацию об их свойствах. Организацией получения надежных сведений об их свойствах занимается Государственная служба стандартных и справочных данных (ГСССД). В ее составе имеется автоматизированная система научно-технической информации, осуществляющая издание стандартов, инструкций, правил и методических указаний.
   Общие правила и нормы метрологического обеспечения гидрологических исследований устанавливаются в стандартах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).
   Технической основой метрологического обеспечения служит система государственных эталонов единиц физических величин и передачи их размеров всем средствам измерений в стране.
   Для метрологического обеспечения отдельных отраслей народного хозяйства служат рабочие эталоны и образцовые средства измерений, предназначенные для поверки и градуировки рабочих средств измерений.
   Все средства измерений подлежат обязательной государственной или ведомственной поверке.
   Система передачи размеров единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерения рабочим средствам измерений устанавливается в поверочных схемах. Поверочные схемы подразделяются на государственные, ведомственные и локальные, которые соответственно распространяются на средства измерений, применяемые в стране, внутри отрасли и отдельном органе государственной или ведомственной метрологической службы.
   При выборе образцовых мер и приборов учитывается, с одной стороны, то, что чем они точнее, тем надежнее определяется погрешность поверяемого средства измерений, а с другой – то, что прибор высокой точности может быть дорог и неэкономичен в эксплуатации. Считают, что погрешность прибора определяется с достаточной достоверностью, если погрешность образцового прибора в 3–5 раз меньше, чем у поверяемого средства измерения. Ни один образцовый прибор не должен применяться для практических измерений, чтобы обеспечить его наименьший износ и сохранность.
   Росгидромет обеспечивает народное хозяйство страны информацией о состоянии окружающей среды. При наблюдениях на сети гидрометеорологических станций и постов применяется большое количество различных специальных методов и средств измерений. В этих условиях проблема метрологического обеспечения гидрометеорологических наблюдений приобретает особое значение. Для ее реализации создана метрологическая служба Росгидромета. Функции головной организации метрологической службы Росгидромета возложены на Научно-исследовательский институт гидрометеорологического приборостроения (НИИ ГМП), другие ведущие научно-исследовательские институты и учреждения Росгидромета.
   Базовой организацией в области гидрологии суши является Государственный гидрологический институт (ГГИ).
   На базовые организации возлагаются следующие обязанности:
   – анализ состояния средств, методов и методик измерений и наблюдений, разработка предложений по совершенствованию метрологического обеспечения;
   – разработка и участие в разработке технических заданий на проектирование и изготовление рабочих и образцовых средств измерений;
   – разработка предложений к планам отраслевой стандартизации;
   – хранение образцовых средств измерения и проведение работ по их сопоставлению;
   – методическое руководство работами, проводимыми в территориальных управлениях Росгидромета по внедрению и освоению прогрессивных средств и методов наблюдений;
   – проведение метрологической аттестации нестандартных средств и методик измерений;
   – разработка поверочных схем;
   – контроль за соблюдением стандартов в области метрологического обеспечения.
   Измерения, выполняемые на гидрологических постах, контролируются сетью лабораторий и бюро поверок, которые организованы в УГКС. Их задача – поверка и ремонт сетевых приборов, в том числе и применяемых на гидрологических постах. Особое внимание уделяется исправности и метрологическим характеристикам приборов.
   В ГГИ разрабатываются важнейшие проблемы гидрологии суши. Одновременно здесь осуществляется методическое руководство работой гидрологических станций и постов, обобщаются результаты гидрологических наблюдений. ГГИ выполнена большая работа по составлению Водного кадастра, опубликованы научно-прикладные обобщения в виде справочников и монографий, выполнена большая работа по обобщению материалов инвентаризации (учету и описанию) рек и озер, проведенной управлениями Гидрометслужбы. Институт проводит большую работу по развитию сети гидрологических станций и постов, конструированию новых гидрологических приборов, составлению инструкций и наставлений по производству гидрологических наблюдений и работ, созданию экспериментальных гидрологических баз и организации экспедиционных работ, а также по учету вод и ведению ГВК.
   Развитие гидрологии и метеорологии, рост сети наблюдательных станций и постов, расширение водохозяйственных мероприятий и возрастание запросов народного хозяйства в части гидрометеорологических материалов потребовали объединения и упорядочения гидрометеорологических исследований и наблюдений, проводившихся в широких масштабах на территории нашей страны.
   На Гидрометеорологическую службу РФ возложены изучение гидрологических, метеорологических и агрометеорологических условий обширной территории России в целях удовлетворения соответствующих запросов народного хозяйства, а также наблюдение и контроль за уровнем загрязнения атмосферы, почвы и водных объектов. Для этого Главное управление гидрометеорологической службы организовало опорную государственную сеть метеорологических, гидрологических, морских агрометеорологических и аэрологических станций и постов, контрольных пунктов наблюдения за загрязнением внешней среды; осуществляет сбор результатов наблюдений на станциях, постах и контрольных пунктах; обеспечивает их обработку, издание и распространение среди заинтересованных в этих материалах организаций и учреждений.
   Главному управлению гидрометеорологической службы подчинены территориальные (межобластные) управления гидрометеорологической службы, которые осуществляют оперативное обслуживание отраслей народного хозяйства гидрометеорологическими материалами, информациями и прогнозами, а также обеспечивают руководство гидрометеорологическими обсерваториями и сетью гидрометеорологических станций, постов и контрольных пунктов.
   В ведении Главного управления гидрометеорологической службы РФ находятся ряд научно-исследовательских специализированных и региональных институтов, научно-производственное объединение «Гидрометеоприбор», крупные научно-исследовательские суда и корабли погоды, научно-техническое гидрометеорологическое издательство, гидрометеорологические техникумы, колледжи и школы.
   Для изучения гидрологического режима водных объектов (рек, озер, болот, водохранилищ) организована опорная гидрологическая сеть станций и постов, на которых производятся регулярные наблюдения. Имеются также специализированные воднобалансовые станции, ведущие по широкой программе наблюдения за формированием стока с малых водоемов и склонов. Все эти наблюдения необходимы для изучения водных объектов в целях их практического использования, выявления важнейших закономерностей гидрологических явлений (стока, замерзания и вскрытия рек, озер и водохранилищ и т. п.), а также для составления прогнозов развития гидрологических явлений.
   На многих гидрологических станциях проводятся и экологические измерения, в частности определения концентрации в воде загрязняющих веществ. Наряду с опорной гидрологической сетью, входящей в систему Гидрометслужбы, на некоторых водных объектах имеются ведомственные станции и посты. Эта наблюдательная сеть организуется отдельными министерствами и ведомствами обычно на сравнительно короткий период (при изыскательских работах, связанных с проектированием гидротехнических сооружений; на период строительства; при выполнении некоторых научных исследований и т. п.). Материалы этих наблюдений дополняют сведения опорной сети станций и используются при решении конкретных задач.
   Опорная государственная гидрологическая сеть станций и постов охватывает все большие и средние реки и озера нашей страны. Она размещена с учетом физико-географических условий территории.
   Развитие всех отраслей народного хозяйства связано со значительным ростом потребностей в воде. Во многих районах РФ естественные водные ресурсы уже сейчас не в состоянии полностью обеспечивать водой нужды народного хозяйства, поэтому приходится предусматривать мероприятия по регулированию стока рек и перераспределению естественных водных ресурсов внутри отдельных речных бассейнов и территорий. Подачу воды из внешних источников приходится осуществлять на десятки и сотни километров, если регулирование местного стока оказывается недостаточным для удовлетворения нужд района. В связи с этим водообеспеченность должна учитываться при размещении промышленных предприятий в дефицитных по воде районах. При этом необходимо учитывать и экологические требования. При рассмотрении вопроса о выделении дефицитных по воде районов и установлении состава и очередности осуществления водохозяйственных мероприятий нельзя ограничиваться рассмотрением отдельного изолированного участка, а необходимо соблюдать принцип комплексного использования водных ресурсов как в рамках одного участка реки, так и в рамках речного бассейна в целом и всей территории. Примером такого рассмотрения водохозяйственного комплекса является Генеральная схема комплексного использования и охраны вод РФ, основной элемент которой – составление водохозяйственных балансов и по отдельным речным бассейнам, и по административным районам (областям и отдельным промышленным районам). Такие водохозяйственные балансы составляются на современный и на перспективные уровни развития народного хозяйства страны: на ближайшие годы, а также на более отдаленную перспективу.
   Водохозяйственный баланс в условиях рассматриваемой территории определяет соотношение между располагаемыми водными ресурсами и суммарными безвозвратными потребностями народного хозяйства в воде. Под располагаемыми водными ресурсами понимаются ресурсы, которые реально могут быть использованы для покрытия водопотребления.
   Водохозяйственные балансы составляются для расчетных по водности лет: для среднего по обеспеченности водой года и для маловодного; расчеты выполняются для года в целом и по месяцам. Таким образом, водохозяйственный баланс определяет соотношение между суммарными располагаемыми водными ресурсами и суммарной потребностью в воде для данного района в условиях различных по водности лет за расчетные интервалы времени (за год, сезоны и месяцы). Если водные ресурсы превышают водопотребление как в целом за год, так и внутри года по сезонам, район считается избыточным по воде в пределах рассматриваемых перспективных уровней. При других соотношениях между располагаемыми водными ресурсами и суммарной потребностью в воде район может оказаться напряженным или дефицитным по водным ресурсам, и тогда потребуется осуществление водохозяйственных мероприятий.
   Водохозяйственный баланс состоит из двух частей: приходной и расходной.
   Приходную часть составляют ресурсы поверхностных, подземных и других вод специальных источников, которые могут быть использованы для покрытия водопотребления. Сюда входят местные водные ресурсы, формируемые в пределах данного района; транзитные воды и сток, перебрасываемый из других речных бассейнов, а также возвратные и сточные воды, поступающие в реку выше расчетного створа. В балансе учитываются только подземные воды, не связанные с поверхностным стоком. Если в пределах рассматриваемого участка речного бассейна имеются регулирующие сток водохранилища, то их влияние на изменение внутригодового и годового стока должно быть учтено в соответствии с режимом этих водохранилищ.
   Расходную часть водохозяйственного баланса составляют все отъемы воды и потери стока. Сюда входит водопотребление коммунальным хозяйством, промышленностью, теплоэнергетикой, орошаемым земледелием и др. При этом также должна быть учтена подача воды, необходимой для санитарных, рыбохозяйственных мероприятий и судоходства, ниже расчетного створа. Перечисленные величины определяются как для современного состояния реки, так и для всех расчетных перспективных уровней развития народного хозяйства. Потери стока включают дополнительное испарение с поверхности водохранилищ и прудов, расположенных в рассматриваемом районе, а также возможный отток подземных вод в соседние бассейны.
   Водохозяйственные балансы составляются начиная с верхнего по реке участка бассейна, постепенно переходя от одного расчетного створа к другому.
   Водохозяйственные балансы составляются в несколько этапов. Первый этап дает сопоставление естественных водных ресурсов с водопотреблением для различных уровней развития народного хозяйства. На основе этих балансов определяется возможность удовлетворения естественными водными ресурсами требований всех водопользователей, особенно в условиях маловодных лет. При рассмотрении таких балансов может оказаться, что намечаемое водопотребление полностью удовлетворяется, например, в ближайшие годы, а на последующую перспективу обнаруживаются дефициты воды. В этом случае необходимо предусмотреть в плане работ ближайших лет водохозяйственные мероприятия, которые обеспечат все водопотребление.
   В настоящее время справочные гидрологические материалы содержат и экологические данные, необходимые для оценки состояния природной среды и его прогнозирования.

3.9. Основные наблюдения на гидрологических постах

   Гидрометрия представляет собой раздел гидрологии суши – науки о режиме и ресурсах поверхностных вод (рек, озер и водохранилищ). Гидрометрия – наука о методах наблюдений за режимом водных объектов, движением воды и наносов; применяемых при этом устройствах и приборах, а также способах обработки результатов измерений.
   Задачей гидрометрии является не только измерение гидрологических параметров, но и методическое обоснование сети пунктов наблюдений, обеспечивающих целостное и систематическое изучение режима вод суши. Источниками гидрологической информации служат гидрологические посты – пункты наблюдения за комплексом элементов гидрологического режима (уровнями и расходами воды, ледовыми явлениями и температурой водных масс, наносами и зарастанием русла). Гидрологические элементы непрерывно изменяются во времени и по длине рек, и, чтобы изучить закономерности этих изменений и контролировать состояние водных объектов, необходима регулярно действующая сеть постов на реках, озерах и водохранилищах. Размещение и плотность постов должны быть оптимальными. Это означает, во-первых, что требования к изучению гидрологического режима обеспечиваются при возможно меньшем количестве постов и, во-вторых, что результаты наблюдений на каждом из постов отражают условия, характерные для достаточно большого участка реки или определенного физико-географического района.
//-- Гидрологические посты --//
   На гидрологических постах исследуют циклы изменения температуры воздуха, солнечной радиации и интенсивности испарения, что, в свою очередь, приводит к соответствующим изменениям уровня и температуры воды.
   Качество информации, получаемой на гидрологических постах, во многом зависит от того, насколько рационально они размещены. Положение поста как пункта наблюдений устанавливается в планах развития и рационализации гидрологической сети. Выбор участка наблюдений и расположения постовых устройств осуществляется с учетом местных условий.
   Гидрологический пост – пункт на водном объекте, оборудованный устройствами и приборами для проведения систематических гидрологических наблюдений. Пост дает так называемые точечные данные. По ним судят о состоянии реки на некотором ее протяжении вверх и вниз по течению от поста. Участок наблюдений должен быть характерным для достаточно большого протяжения реки, с тем чтобы получаемая информация соответствовала происходящим на ней явлениям и процессам. Движение потока в его пределах должно оставаться близким к равномерному. Для этого достаточно, чтобы на протяжении по крайней мере 3– 5-кратной ширины между бровками меженного русла уклоны водной поверхности и профили поперечных сечений оставались сравнительно однообразными. Скорость потока должна сохраняться по всей ширине русла, а направление течения – оставаться параллельным берегам, т. е. должны быть исключены косоструйность и резкая неравномерность распределения скоростей потока по ширине русла.
   Посты всегда следует располагать на плёсовых участках, где гидрологические условия более благоприятные (равномерный поток, достаточные глубины и т. п.), чем на перекатах. Что касается горных рек, то там удобно вести наблюдения выше порогов и стремнин, где течение сравнительно спокойное, а русло менее загромождено камнями.
   Пойма реки у поста должна быть не слишком широкой, без староречий и значительных зарослей кустарника.
   На участке наблюдений должны отсутствовать вовсе или слабо проявляться факторы, нарушающие правильность течений или искажающие связь уровней и расходов воды.
   Для удобства наблюдений гидрологические посты целесообразно располагать на неразмываемых берегах средней крутизны (20–30°). Подходы к постам должны быть удобны и безопасны как в половодье, так и в межень. Не следует располагать их вблизи причалов судов и в зонах отдыха на воде. Важно, чтобы посты находились вблизи средств телефонно-телеграфной связи. Если пост открывается на участке, где существуют или намечается построить гидротехнические сооружения, необходимо по данным технического проекта определить дальность распространения подпора от них.
   Типы гидрологических постов:
   – реечные – с деревянными или металлическими рейками с делениями (рейки прикрепляют к мосту или плотине);
   – свайные (сваи забивают перпендикулярно к берегу);
   – передаточные (с отсчетом на расстоянии);
   – дистанционные.
   Условия наблюдений на реках многообразны и часто бывают весьма сложными. Чтобы обеспечить возможность регулярных наблюдений при любых фазах режима, гидрологические посты должны быть оснащены соответствующим оборудованием и устройствами, обеспечивающими безопасный доступ к местам наблюдений.
   Постовые устройства и оборудование подразделяются на четыре группы соответственно различным комплексам наблюдений и работ:
   – устройства и приборы для наблюдения за уровнем и температурой воды;
   – установки и средства измерения расходов воды и наносов (включая приборы для отбора проб на химический анализ растворенных и загрязняющих веществ);
   – установки и приборы для наблюдения за температурой воздуха, осадками и другими метеорологическими элементами;
   – знаки плановой и высотной основы – реперы, которые служат для контроля неизменности положения постовых устройств и точек отсчета уровней.
   По конструкции устройства для наблюдений за уровнем воды подразделяются на простейшие (реечные, свайные, смешанные реечно-свайные, передаточные) и автоматизированные.
   Реечные устройства состоят из одной или нескольких деревянных или металлических реек, укрепленных на стенках набережных, устоях мостов и плотин. Если пост создается в зоне неукрепленного берега, то при небольшой (до 3 м) амплитуде колебаний уровня рейка может быть установлена на специально забитых одиночных сваях или кустах свай. Глубина забивки должна составлять не менее 2 м, а место для устройства поста выбирается так, чтобы обеспечивались сохранность рейки и неизменность ее высотного положения. С этой целью рейки иногда устанавливают в береговых ковшах или естественных выбоинах берега. При размещении поста на сооружениях рейка укрепляется в наиболее защищенных от плывущих предметов и льдин местах.
   Наиболее проста деревянная рейка. Она представляет собой брус сечением 14 х 4 см и длиной до 3–4 м, на лицевой стороне которого масляной краской или способом вырезания (выжигания) нанесены деления через 2 см и дециметры.
   Из-за недолговечности деревянных реек им предпочитают чугунные или металлические эмалированные рейки, изготавливаемые на заводах. Чугунная рейка собирается из отдельных чугунных пластин, укрепляемых на прочном бруске, и крепится на откосе или опоре с помощью металлических пластин с отверстиями для болтов.
   В зависимости от амплитуды колебаний уровня воды рейка может быть составлена из различного количества пластин-звеньев. Нулевое деление рейки должно быть опущено на 0,2–0,5 м ниже самого нижнего уровня, а верх рейки – поднят на столько же выше наивысшего уровня.
   Установка реек в вертикальном положении вблизи отлогих берегов связана с некоторыми затруднениями. Более просто на откосе можно укрепить наклонные рейки. Они особенно удобны на откосах с бетонным покрытием и лестничными спусками. Разметка наклонной рейки производится в зависимости от угла ее наклона к горизонту.
   Свайные устройства получили наибольшее распространение. Они наиболее удобны на равнинных реках при значительной амплитуде колебаний уровня воды и сравнительно отлогих берегах. Свайное устройство состоит из ряда свай, забитых в одном створе по нормали к направлению течения реки.
   Места для свай назначают на заранее построенном поперечном профиле реки, полученном по данным нивелировки. При этом должны соблюдаться следующие условия:
   – головка верхней сваи должна быть на 0,25—0,50 м выше наивысшего уровня, а нижней сваи – на 0,25—0,50 м ниже самого низкого уровня;
   – превышение одной сваи над другой должно составлять 0,30—0,80 м;
   Время наблюдений и отсчеты положения уровней относительно головок свай или нулей реек на верхнем и нижнем уклонных постах заносятся в книжку КГ-14М. Обработка данных измерения включает:
   – вычисление отметки уровня над нулем поста (он обычно назначается общим для верхнего и нижнего постов);
   – определение падения между уклонными постами как разности высот уровня над нулем поста;
   – вычисление уклона водной поверхности делением величины падения на длину базиса (обе величины при этом должны быть выражены в одинаковых единицах измерения, например в метрах).
   Длина базиса остается неизменной в течение всего времени, пока не изменится положение постов.
   Наблюдения за температурой воды производятся обычно два раза в день в утренний и вечерний сроки уровенных наблюдений (в 08 и 20 часов), охватывая период от первых весенних оттепелей до ледостава. При неустойчивом ледоставе, прерываемом периодами вскрытия, наблюдения за температурой ведутся круглый год.
   Измерение температуры воды производится ртутными и электрическими термометрами.
   Обычный водный термометр имеет шкалу с ценой деления 0,2 °C, что позволяет производить измерение температуры с погрешностью до 0,1 °C в диапазоне от —5 до +30 °C. В переходные периоды для более точного установления момента перехода температуры воды через 0 °C пользуются микротермометром с ценой деления шкалы 0,01 °C (диапазон измерений от —0,8 до + 1,2 °C).
   Термометр опускается в воду на шнуре. Время выдержки термометра в точке – 5–8 мин, заглубление – не более 0,5 м.
   Электрические термометры имеют две модификации: электротермометр ГР-41 предназначается для измерения температуры в диапазоне от —1 до +35 °C с погрешностью до 0,1 °C, а микроэлектротермометр ГР-51 работает в диапазоне от —0,2 до +1,6 °C с погрешностью 0,01 °C. В качестве первичного преобразователя температуры в электротермометре использована медная проволока, сопротивление которой меняется в зависимости от температуры.
   При измерении температуры преобразователь электротермометра погружается на заданную глубину и выдерживается в ней 3 мин. Запись наблюденных отсчетов температуры воды производится в книжке КТ-1М(н). Затем в отсчеты по термометру при температуре воды ниже +2 °C вводятся инструментальные поправки, которые приведены в книжке КГ-1М(н), согласно выписке из свидетельства о последней поверке термометра, высылаемой со станции вместе с термометром. Вычисленные средние значения за декаду, месяц и наибольшее за месяц записываются в соответствующие таблицы книжки КГ-1М(н).
//-- Визуальные наблюдения за ледовой обстановкой и измерение толщины льда --//
   Визуальные наблюдения за ледяными образованиями и ледовыми явлениями проводятся наблюдателями гидрологических постов два раза в сутки (в утренний и вечерний сроки наблюдений за уровнем воды или в ближайшее к ним светлое время) начиная с момента их появления и кончая полным освобождением реки ото льда. В районе поста должны быть условия для хорошего обзора вверх и вниз по течению реки на расстояние, равное двум-трем ее ширинам.
   При визуальных наблюдениях фиксируются все ледяные образования и ледовые явления с указанием их расположения, при этом даются их количественные характеристики (ширина заберегов, густота ледохода в баллах, размеры полыней, ширина и протяженность трещин и т. д.). Запись производится в книжке КГ-1М(н). При значительном разнообразии и быстрой смене ледовой обстановки ведется хронологический дневник, который впоследствии прикладывается к книжке. При сложной ледовой обстановке в районе поста, когда описать все ее детали трудно, рекомендуется составлять картограммы ледяных образований и ледовых явлений, используя для этого условные обозначения, приведенные в Наставлении.
   Кроме элементов ледовой обстановки, должны быть зафиксированы даты начала и окончания навигации и передвижения по льду (пешего, конного и автомобильного).
   После анализа сведения о ледовой обстановке должны быть подготовлены для занесения в таблицу ЕУВ, входящую в состав ежегодно публикуемых данных, – одну из основных форм ГВК. Наряду с указанием цифровых кодов для занесения характеристик в книжку КГ-1М(н), приводятся условные обозначения и сокращенные названия состояния объекта, принятые в таблицах ГВК.
   При наблюдении за ледовыми явлениями следует отмечать наличие шуги и занос ее под кромку льда, скорость продвижения кромки льда, расходы шуги и льда и т. п.
   В предвесенний период производится ледомерная съемка участка для определения количества льда и оценки степени закупорки живого сечения реки.
   С начала вскрытия производятся учащенные наблюдения за уровнями воды, картирование ледовой обстановки, фиксация подвижек льда, измерение расходов льда.
   Важное место при изучении ледовых явлений отводится авиаразведкам ледовой обстановки. Элементы ледовой обстановки оцениваются визуально с самолета и наносятся на заранее подготовленную карту-бланк. Для удобства работы поперечный масштаб карты-бланка назначается крупнее продольного. Картирование сопровождается подробными записями в бортовом журнале. Помимо исчерпывающей характеристики ледяных образований и ледовых явлений, в карте-бланке приводятся сведения о дате, времени прохождения контрольных пунктов маршрута полета, облачности, условиях видимости и т. п.
   Систематические наблюдения за волнением по стандартным программам в прибрежной зоне производятся на береговых волномерных пунктах, а в открытой части водоема – с плавучих станций и по отдельным максимально-минимальным вехам. Эпизодические наблюдения могут производиться с судов, выполняющих другие работы в водоеме.
   Береговые волномерные пункты располагаются на участках, где при господствующих ветрах волны достигают наибольших для водоема размеров. На больших и крупнейших озерах и водохранилищах озерного типа, как правило, оборудуется три-четыре пункта, на водохранилищах речного типа – один пункт на 40–80 км длины. На малых и средних водоемах обычно ограничиваются одним волномерным пунктом, прикрепляяя его к району расположения озерного поста. Участок побережья в месте расположения волномерного пункта должен быть открыт со стороны озера (водохранилища) для господствующих ветров, а на подходах к нему не должно быть препятствий в виде островов, мелей и т. п.
   Плавучие станции и автономно действующие максимально-минимальные вехи размещаются в местах, представляющих наибольший интерес для народнохозяйственных организаций (на сложных участках судовых трасс, на участках интенсивного рыболовства и т. п.).
//-- Оборудование волномерных пунктов --//
   Береговой волномерный пункт оснащается волномерными и максимально-минимальными вехами. Вехи устанавливаются не далее 150–200 м от берега, а друг от друга – на расстоянии не более 20–30 м. Для наблюдения за скоростью и направлением ветра на волномерном пункте устанавливается самописец или флюгер.
   Вблизи плавучей станции обычно размещаются две-три волномерные и одна максимально-минимальная веха. Относительно судна, на котором располагается станция, волномерные вехи устанавливаются так, чтобы при любом направлении ветра хотя бы одна из них находилась в зоне, где волнение не искажено влиянием судна.
   Волномерная веха представляет собой деревянный шест, размеченный на дециметровые деления. При глубинах до 5–7 м веха может быть укреплена на свае, забитой в грунт, или установлена на дне с помощью прикрепленного к ее основанию балласта. При глубинах более 7 м волномерная веха устанавливается на плаву.
   Плавучая веха представляет собой деревянный шест, размеченный на дециметровые деления, укрепленный на верхнем основании цилиндрического поплавка достаточной плавучести. Для увеличения устойчивости вехи такой же шест укрепляется и у нижнего его основания. В точке наблюдения веха удерживается грузом-якорем, с которым соединена стальным канатом. Канат закрепляется на выступающей из воды части верхнего шеста и уходит в воду к грузу-якорю почти вертикально через сквозную трубку в поплавке и направляющий хомут на основании нижнего шеста. Такой способ крепления позволяет периодически устранять слабину каната, возникающую в связи с падением уровня, без снятия вехи с якоря.
   Максимально-минимальные вехи предназначены для автоматической регистрации максимальной разности волновых горизонтов за время наблюдений по ним. Устройство крепится к волномерной вехе с помощью хомутов. В исходном положении индексы-указатели непосредственно прилегают к поплавку. При волнении поплавок, следуя за колебаниями водной поверхности, перемещается по струне, передвигая соответствующий индекс-указатель вверх или вниз.
   Высота волн измеряется по числу делений, умещающихся между гребнем и подошвой волны.
   Азимут направления распространения волн определяется в градусах.
   Стандартные наблюдения на береговых волномерных пунктах производятся в течение всего безледоставного периода и включают определение следующих характеристик: а) среднего периода волн; б) разности волновых горизонтов в момент наблюдения; в) наибольшей разности волновых горизонтов за время шторма или другой длительный период; г) направления распространения волнения; д) скорости и направления ветра; е) уровня воды. При ветре до 10 м/с наблюдения производятся дважды в сутки в общепринятые сроки гидрологических наблюдений. При ветре более 10 м/с наблюдения производятся через каждые три часа в стандартные сроки метеорологических наблюдений.
//-- Измерение прозрачности воды --//
   Основными оптическими характеристиками воды озер и водохранилищ являются прозрачность и показатель поглощения и рассеяния света. От этих характеристик зависят световой режим глубин и интенсивность прогревания водных масс, оказывающие влияние на биологические процессы, которые происходят в водоеме. Оптические свойства воды зависят от ее состава, количества взвешенных в ней частиц минерального и органического происхождения, наличия микроорганизмов (планктона) и растворенных гумусовых веществ. Значительное влияние на пространственную изменчивость оптических свойств воды оказывают гидрологические факторы: течение, приток речной воды, волнение.
   Прозрачностью воды называется свойство воды пропускать вглубь световые лучи. Характеристиками прозрачности служат: 1) коэффициент прозрачности – показатель ослабления света с глубиной, равный отношению интенсивности световой энергии на нижней и верхней поверхностях метрового слоя воды, выражаемый в процентах; 2) относительная прозрачность, или глубина видимости; эта глубина устанавливается по границе исчезновения видимости белого диска, опущенного в воду.
   Все озерные станции и посты ведут наблюдения за относительной прозрачностью с помощью белого диска, представляющего собой металлический круг диаметром 30 см, окрашенный в белый матовый цвет.
   В центре диска вставлена трубка, через которую пропущен размеченный на метры и дециметры линь. Под диском на трубку надевается съемный груз для предотвращения сноса диска течением.
   Для определения прозрачности диск медленно опускается в воду с теневой стороны судна, и когда диск становится невидимым, отмечается глубина его исчезновения. После этого диск опускают еще на 1–2 м и спустя 5—10 с начинают медленно поднимать. В момент появления диска скова отмечается глубина. Среднее значение глубин исчезновения и появления диска принимается за величину относительной прозрачности.
   Одновременно с определением прозрачности ведутся наблюдения за цветом воды с помощью шкалы цветности воды. Шкала представляет собой набор из 22 стеклянных пробирок, заполненных цветными растворами разных оттенков, от чисто-синего до коричневого, и пронумерованных от I до XXI. Пробирки укреплены по 11 штук в рамках, которые вставлены в двустворчатый футляр. Пробирка под № XI для удобства сопоставления помещается дважды – в левой и правой рамках.
   Наблюдения за прозрачностью и цветом воды производятся на всех рейдовых вертикалях при каждом измерении температуры.
   Наблюдения и измерения, проводимые на гидрологических постах, чрезвычайно важны для оценки экологического состояния водного объекта и окружающей среды в целом.

3.10. Проведение промерных работ

   Измерение глубины водоемов – один из наиболее распространенных видов гидрологических наблюдений.
   Глубиной называется расстояние по вертикали от поверхности воды до дна водоема. Глубина русла является одним из элементов расхода воды. Но измерение глубин (промеры русла), выполняется также для определения рельефа дна и опасных для судоходства мест, контроля русловых переформирований в зонах гидроузлов, водозаборных и сбросных сооружений. В этих случаях производится русловая съемка участков рек и акваторий. В зависимости от целей исследования русла его промеры выполняются в различные сезоны времени как при высоких, так и при низких уровнях воды.
   Измерение глубин, как правило, производится не в одной точке, а по всей ширине русла и длине изучаемого участка.
   Устройства, используемые при измерении глубин, подразделены на шесть основных разновидностей:
   Разновидности устройств для измерения глубин:
   – мост решетчатый;
   – мост подвесной с несущими канатами;
   – дистанционная гидрометрическая установка для рек шириной до 200 м;
   – люлечная двухканатная переправа пролетом до 200 м;
   – паромная переправа для рек шириной 200–300 м;
   – гидрометрическое судно.
   При измерении расходов воды на средних и больших реках используются моторные лодки и катера, применяемые на речном транспорте и лесосплаве.
//-- Приборы для измерения расходов воды --//
   Приборы для измерения глубин подразделяются на две группы: для измерения глубин в отдельных точках и для непрерывной съемки профиля дна.
   В качестве средств точечных измерений служат наметки и ручные промерные лоты.
   Наметка – шест диаметром 4–5 см, длиной до 5–6 м, изготовленный из дерева или легких дюралюминиевых трубок и размеченный на дециметры масляной краской контрастных цветов. Нижний конец деревянной наметки оковывается железным башмаком, который помогает погружению ее в воду и предохраняет от раскалывания при ударах о дно. Вместо наметок при глубинах, не превышающих 3 м, можно использовать гидрометрические штанги.
   Ручной лот представляет собой груз массой до 10 кг. На одном конце лота имеется углубление для взятия проб донного грунта, на другом – ушко, к которому привязывается лотлинь – пеньковый или капроновый шнур диаметром 5—10 мм. Лотлинь размечается через 0,1–0,2 м марками из лоскутов цветной ткани или кожи. Чтобы шнур не вытягивался, его до разметки два-три дня вымачивают в воде, а затем сушат, натягивая между двумя столбами под нагрузкой 30–40 кг.
   Промеры глубин наметкой и лотом требуют некоторой сноровки: их забрасывают против течения и с упреждением по ходу судна так, чтобы в момент отсчета глубины наметка или лотлинь находились в вертикальном положении.
   Механический лот состоит из мерного каната и лебедки для опускания и подъема груза. На гидрологических постах применяются различные типы гидрометрических лебедок «Нева» и «Луга», предназначенных для лодочных и паромных переправ; лебедка ГР-36 с поворотной стрелой предназначена преимущественно для судов, а ГР-65 применяется на люлечных переправах. Каждая лебедка независимо от конструкции включает четыре основные части: станину, грузовую стрелу, вьюшку для каната, счетчик глубин для определения длины вытравленного каната.
   У лебедки «Нева» станина представляет собой плиту, к которой присоединена рама, удерживающая стрелу. Шарнирное крепление подвижных частей обеспечивает изменение выноса стрелы от 0,3 до 1,0 м и угла наклона – от 30 до 60°. Один конец подъемного каната перекинут через блок с предохранительной дужкой, а другой намотан на барабан, который вращается рукояткой. На противоположном конце оси барабана укреплен счетчик глубин. Лебедка снабжена ручным и ножным тормозами и храповиком.
   Лебедка «Луга» более портативна. Ее масса – 20 кг, стрела отделена от станины, что создает дополнительные удобства на рабочем месте: например, стрела может быть закреплена в носовой части судна, а станина с вьюшкой – ближе к корме. Лебедка ГР-36 с поворотной стрелой предназначена для использования на понтонах и катерах. Ее грузоподъемность – 100 кг. Станина несет поворотную колонку со стрелой, подъемным устройством и вьюшкой. Вся система может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°. Стрела может быть зафиксирована в любом положении с помощью зажима и прижимной колодки. Барабан вьюшки при однослойном укладе вмещает 25 м стального каната. Лебедка ГР-65 (предназначена для люлечных переправ) не имеет стрелы, так как промерный лот или приборы опускаются в прорезь настила люльки непосредственно под лебедкой. Для горных рек разработана модифицированная конструкция лебедки ГР-65М. Ее отличительная особенность – закрытое исполнение, при котором обеспечивается сохранность подъемного механизма. Особое достоинство лебедки – в грузоупорном тормозе, предотвращающем свободное падение груза и травмы работающих. Счетчик лебедки показывает глубину потока в сантиметрах. Специальное устройство фиксирует угол относа грузового каната с погрешностью 1 °C. Грузоподъемность лебедки – 100 кг, собственная масса не превышает 50 кг.
   Приемы измерения глубины с применением механических лотов и различных типов лебедок практически одинаковы. Чтобы опустить лот, надо повернуть рукоятку барабана назад, откинув собачку храпового колеса, и травить канат под тяжестью груза, сдерживая вращение барабана ножным или ручным тормозом. Когда нижняя поверхность груза коснется воды, барабан стопорится и показания счетчика устанавливаются на нулевую отметку. Затем лот опускается до дна и записывается глубина воды.
   Комплекс промеров глубин включает: а) определение положения промерных точек (вертикалей) в плане; б) измерение глубин в каждой промерной точке; в) определение уровня воды; г) установление характера грунтов, слагающих дно реки.
   Наиболее простой способ координирования промерных точек – непосредственное измерение расстояний от постоянного начала створа с помощью ленты, рулетки, размеченного шнура, каната. В постоянно закрепленных створах соответственно закрепляется и разметка промерных вертикалей.
   Более сложные геодезические методы координирования – засечка промерных точек теодолитом, секстантом и мензулой, применяемая при промерах с моторных лодок и катеров.
   Способ промеров глубин зависит от общей цели работ. Если они выполняются для определения расходов воды, то измерение глубин производится в гидрометрическом створе, чтобы получить поперечный профиль и площадь водного сечения. Если промеры входят в состав русловых съемок, глубины измеряются по поперечникам, косым галсам и продольникам.
   Точность измерения глубин в точке зависит как от самой глубины, так и от средств измерения. При использовании штанг, наметок и лотов отсчеты глубины должны производиться с точностью, равной половине цены деления наметки или лотлиня. Допустимой является относительная погрешность измерения не более 2 %.
   При измерении глубин более 5,0 м применяются лоты. Погрешность отсчета по счетчикам лебедок механических лотов составляет 1 см. Лотлини ручных лотов обычно размечают через 0,2 м. В этом случае точность промеров оказывается очень низкой и недопустима при измерении глубин для определения площадей живых сечений потока.
   Наблюдения за уровнями воды ведутся на ближайшем гидрологическом посту. Высота уровня измеряется в начале и конце работы на каждом поперечнике (профиле).
   Характер грунтов определяется визуально или с помощью лотов и специальных донных щупов. Данные о грунтах представляют интерес при расчете деформаций русла и транспорта наносов. Кроме того, эти данные позволяют судить о точности измерения глубин.
//-- Организация промерных работ --//
   Организация промерных работ зависит от оборудования, которое используется при их выполнении. Обычно измерения глубин в гидрометрических створах производятся с мостиков, люлечных, лодочных (паромных) переправ и судов, а зимой – со льда.
   Глубины воды по профилю измеряются через равные расстояния в 20–50 промерных точках (вертикалях). Расстояние между промерными вертикалями зависит от ширины реки, рельефа дна и требуемой точности определения площади водного сечения.
   Наиболее просты приемы промеров русла с гидрометрических мостиков. Расстояние до точек измерения глубин при этом определяется мерной лентой или по заранее произведенной разметке мостовых конструкций (балок или края настила мостика). Достаточно приспособлены для промеров глубин установки ГР-64 и ГР-70. Они обеспечивают дистанционные измерения глубин и расстояний, значения которых определяются по показаниям счетчиков на пульте управления.
   При ледоставе облегчается работа по выполнению промеров по всей ширине реки; затруднения связаны с необходимостью бурить лунки для опускания наметок и лотов. В каждой промерной точке сначала определяется высота снега, затем глубина воды, общая толщина льда, глубина погружения льда и шуги. На каждом промерном профиле определяется расстояние от постоянного начала до уреза воды по нижней поверхности льда. Для этого у каждого берега пробивается несколько лунок. Расстояние от постоянного начала до урезов по уровню воды определяется с использованием профиля гидрометрического створа.
   При открытом русле измерение глубин выполняется с использованием лодочных переправ, моторных лодок и катеров. Для производства промеров на реках шириной до 200 м наводится лодочная переправа с ездовым и разметочным тросами.
   При наведении лодочной переправы на реках шириной до 100 м для перетягивания ездового каната служит подвесная вьюшка ГР-75.
   При ширине реки более 200–300 м промеры выполняются с моторных лодок и катеров, а расстояние до промерных точек определяется засечками теодолитом с берега или секстантом – с судна. Положение поперечного профиля в этом случае закрепляется двумя створными знаками. Они указывают направление промерного профиля: наблюдатель будет находиться в створе, пока передний знак закрывает задний. Створный знак представляет собой шест или столб высотой 3–5 м с укрепленным на нем щитом, окрашенным в яркий цвет, контрастный фону местности. Два створных знака образуют одну визирную систему и вместе называются створом. На реках шириной до 500 м устанавливается одна пара створных знаков на берегу.
   Русловая съемка – это комплекс геодезических измерений и промеров глубин для составления гидрографического плана участка реки в линиях равных глубин или горизонталях.
   Наиболее распространенный способ русловой съемки – промеры по поперечникам, имеющим единую планово-высотную основу. Последнее достигается геодезической привязкой поперечников к разбиваемому на берегу в пределах участка съемки магистральному ходу. Число поперечников и количество промерных точек на каждом из них назначается с таким расчетом, чтобы расстояния между ними были по крайней мере в 3–5 раз меньше минимальных продольных и поперечных размеров неровностей дна, которые желательно выявить в результате съемки.
   При значительных скоростях течения, затрудняющих точную проводку судна по створам, промеры при русловых съемках могут выполняться по косым галсам или по продольникам. Определение положения промерных точек осуществляется чаще всего двумя угломерными геодезическими инструментами, устанавливаемыми в пунктах плановой опорной сети. Достаточно эффективна и обратная засечка, которая производится с промерного судна одновременно двумя секстантами по заранее установленным трем береговым ориентирам.
//-- Первичная обработка материалов измерения глубин --//
   В зависимости от принятой методики промеров глубин и определения местоположения промерных точек полевые материалы могут быть представлены следующими видами записей результатов:
   – книжками для записи промеров глубин;
   – книжками для записи промеров глубин и журналами (планшетами) засечек промерных точек;
   – лентами эхолотирования и журналами засечек контрольных точек.
   Для записи промеров глубин служит книжка формы КГ-2, в которой предусмотрены графы для занесения расстояний, глубин, углов относа каната и соответствующих поправок. По измеренным глубинам и уровням определяются отметки дна. Кроме того, по каждому промерному поперечнику приводятся следующие данные: о грунте, способах определения местоположения промерных вертикалей и измерения глубин, указываются время начала и конца измерений, состояние реки (тихо, волнение, ледоход и пр.) и другие сведения.
   Обработка книжки сводится к выполнению следующих операций:
   – введение поправки в измеренные значения глубин на изменение уровня воды за время измерения (эта операция выполняется только в том случае, если промеры производились одним ходом);
   – расчет поправки на относ каната и вычисление исправленной глубины;
   – вычисление отметок дна.
   Поправка к измеренным глубинам в связи с изменением уровня воды за время между началом и окончанием промеров рассчитывается для каждой промерной точки по формуле:

   где Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– соответственно уровни воды в начале и конце измерения; N – общее число промерных точек; i – номер промерной точки, для которой вычисляется поправка.
   Отметка дна в каждой промерной точке определяется как разность между отметкой рабочего уровня воды и исправленным значением глубины.
   Если положение промерных вертикалей засекалось угломерными инструментами, то расстояние от постоянного начала определяется после геодезических измерений.
   Особенности обработки данных в зависимости от типа эхолота приводятся в инструкции к прибору.
   При засечках промерных точек двумя угломерными инструментами с берега или с судна, что в основном имеет место при промерах по косым галсам или продольникам, расстояния отдельных точек от магистрали могут быть определены только после нанесения их на план.
   Наиболее удобной формой графического представления данных промеров по отдельным поперечникам является построение профилей поперечных сечений.
   Профиль поперечного сечения строится на листе миллиметровой бумаги в системе координат, по горизонтальной оси которой откладываются расстояния от постоянного начала до промерных вертикалей, а по вертикальной – глубины или отметки дна.
   На профиль наносится положение рабочего уровня воды с указанием его отметки и даты промера. Под графиком, кроме шкалы расстояний, выписываются значения глубин и отметок дна на промерных вертикалях, а также указывается характер грунта, слагающего дно. На гидрологических постах рекомендуется иметь профили поперечных сечений до уровня высоких вод. Данные для построения таких профилей получают в результате совместных промерных и нивелировочных работ. Кроме рабочего уровня, на профилях должны быть указаны высший и низший уровни за период наблюдений на данном посту и соответствующие им даты.
   Важными характеристиками профиля поперечного сечения, широко используемыми при расчетах пропускной способности русел, являются: площадь, ширина, средняя и наибольшая глубины, смоченный периметр, гидравлический радиус и относительная ширина. Их значения также могут быть рассчитаны по данным промеров глубин.
   Площадь поперечного сечения может быть определена планиметрированием профиля, но чаще она вычисляется аналитически как сумма площадей трапеций, образуемых двумя соседними промерными вертикалями, поверхностью воды и линией дна. При этом линия дна между вертикалями принимается условно прямой, соединяющей точки дна на промерных вертикалях. В пределах поперечного сечения реки обычно выделяют водное сечение, живое сечение и мертвое пространство. Водное сечение при открытом русле совпадает с поперечным сечением. При наличии ледяного покрова верхней границей водного сечения является кромка погруженного в воду льда, поэтому его площадь в этом случае меньше площади поперечного сечения на площадь погруженного льда. Живое сечение – это часть водного сечения, в которой наблюдается течение воды. Области сечения, где течение не наблюдается, называются мертвыми пространствами. Если мертвые пространства отсутствуют, живое и водное сечения совпадают. Ширина поперечного сечения – это расстояние между урезами воды, вычисляемое по разности расстояний от постоянного начала до урезов дальнего и ближнего берегов. Средняя глубина сечения h -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

подсчитывается как частное от деления площади поперечного сечения на ширину:

   а значение наибольшей глубины выбирается из промерной книжки.
   Смоченный периметр при открытом русле – это длина линии дна между урезами воды. По данным промеров эта характеристика вычисляется как сумма гипотенуз прямоугольных треугольников, катетами которых служат разности глубин на соседних вертикалях.
   При наличии ледяного покрова длина смоченного периметра включает в себя также длину нижней поверхности погруженного в воду льда.
   Правильное измерение глубины реки позволяет рассчитать скорость течения потока, а следовательно, и оценить такую экологическую характеристику, как темп загрязнения реки при наличии сбросов в нее сточных вод.

3.11. Измерение скорости течения

   Скорость течения воды в потоке является одной из основных его гидрологических (и экологических) характеристик. Приборы, применяемые при измерении скорости потока, делятся на три группы:
   1) приборы и приспособления – метки течения в виде поплавков и вносимых в поток веществ;
   2) приборы, основанные на применении физических эффектов, создаваемых текущей водой:
   – термогидрометры, в которых используется тепловое взаимодействие чувствительного элемента и обтекающих его струй,
   – ультразвуковые установки, реализующие различие скоростей распространения ультразвука по течению и против него; электромагнитные измерители скорости по разности потенциалов, возникающей в воде при протекании ее через электромагнитный контур;
   3) приборы, основанные на гидродинамическом взаимодействии с потоком воды, – гидрофлюгеры; установленные на якоре шесты, динамометры и гидрометрические вертушки.
   Поплавками можно измерять скорость в поверхностном слое, на различных глубинах и среднюю скорость на вертикали. Соответственно этому различают поплавки поверхностные, глубинные и интеграционные.
   Чаще всего конструкции поверхностных и глубинных поплавков представляют собой деревянные цилиндры, отпиленные от бревен диаметром 8—30 см и высотой 2–7 см; более совершенны поплавки в виде крестовин из деревянных или пенопластовых досок с подвешенным грузом. Они применяются на больших реках. При ледоходе роль поплавков играют отдельные льдины.
   Во всех случаях размер и форма поплавков выбираются так, чтобы они возможно меньше возвышались над водой и были хорошо видны с берега.
   Глубинные поплавки служат для измерения скоростей течения на заданной глубине. Они представляют собой небольшие сосуды шаровидной формы из стекла или синтетических материалов. Через отверстие в сосуд засыпается песок с расчетом, чтобы поплавок получил относительную плотность 1,05, при которой он не всплывает и не останавливается даже при неровном дне. Размер поверхностного поплавка, изготовленного из пробки или пенопласта, в 4–5 раз меньше глубинного (он лишь служит указателем местоположения), поэтому скорость движения системы практически не отличается от скорости на глубине погружения нижнего поплавка.
   Принцип измерения скорости поплавками непосредственно вытекает из ее определения как пути, пройденного в единицу времени:

   Положение поплавков должно быть тем или иным способом определено, так же как это делается при координировании промеров. Но применение геодезических методов требует создания опорной сети и привлечения многих исполнителей. Чтобы избежать осложнений, нередко прибегают к привязным поплавкам, пускаемым с лодок или мостиков на тонкой размеченной нити. Следует правильно выбирать ее длину. Как показывает опыт, оптимальная длина нити должна быть такой, чтобы обеспечить движение поплавка в течение 15 с.
   Гидрометрические вертушки. Принцип действия вертушки выражен в самом ее названии: в качестве измерителя скорости в ней служит рабочее колесо (винт).
   Вертушка ГР-21, имеющая лопастный винт диаметром 120 мм, состоит из следующих основных частей: корпуса, хвостового оперения, ходовой части с контактным механизмом и лопастным винтом, сигнального устройства.
   Полный комплект вертушки является измерительным устройством; ее конструктивные детали представляют собой чувствительный элемент (лопастный винт), первичный преобразователь (контактный механизм).
   Корпус служит для сочленения частей, крепления прибора на штанге и для подключения сигнальной цепи. В полость передней части корпуса вставляется ось ходовой части и крепится в ней стопорным винтом.
   Ходовая часть вертушки состоит из оси с контактным механизмом, двух радиально-упорных шарикоподшипников, внутренней распорной втулки, наружной втулки, осевой гайки. Ходовая часть входит в цилиндрическую полость лопастного винта и крепится в ней муфтой.
   Контактный механизм собран из червячной шестерни с двадцатью зубцами, контактного штифта и пружины, винта для ее крепления, электропроводного стержня, изолированного от массы корпуса и соединяющего контактную пружину с гнездом штепселя. Механизм дает одно замыкание электрической сигнальной цепи за один полный оборот червячной шестеренки, что соответствует 20 оборотам лопастного винта.
   Сигнальное устройство, состоящее из клеммной панели, звонка, электрической лампочки, переключателя и сигнальных проводов, служит для преобразования электрического импульса в звуковой или световой сигнал.
   Электрический ток от отрицательного полюса батареи, состоящей из двух гальванических элементов, подводится к клемме со знаком «минус» на клеммной панели ящика и далее по проводу – к изолированной клемме вертушки, затем по электропроводному стержню штепселя – к штепсельному гнезду, по контактной пружине – на контактный штифт и на массовую клемму. Далее по второму проводу сигнал идет на клемму панели со знаком «плюс», от которой через электрический звонок или электрическую лампочку накаливания – к положительному полюсу батареи.
   Недостаток вертушки ГР-21 – сравнительно большой интервал между сигналами (через 20 оборотов лопастного винта), что не позволяет использовать ее для исследования пульсации скоростей течения и ускоренных измерений расходов воды. Этим требованиям удовлетворяют вертушки, в которых регистрируются каждый оборот и даже части оборота лопастного винта. К числу таких приборов относится вертушка ГР-99.
   Вертушка ГР-99 состоит из корпуса, ходовой части и контактного устройства. Ходовая часть размещена в передней части корпуса и представляет собой трехлопастный винт, установленный на оси и закрепленный гайкой, два шарикоподшипника, распорную втулку, гильзу. Ходовая часть вертушки крепится к корпусу винтом.
   Главная особенность вертушки ГР-99 заключается в контактном устройстве. Оно состоит из постоянного магнита, закрепленного в обойме на оси ходовой части, и магнитоуправляемого контакта, размещенного в изоляционной втулке, закрепленной в корпусе вертушки с помощью прижимной планки и винта. Постоянный магнит при каждом обороте лопастного винта вызывает одно замыкание магнитоуправляемого контакта. Для подключения сигнальной линии связи служат две клеммы, расположенные на корпусе, одна из которых изолирована, а другая связана с массой корпуса вертушки.
   Вспомогательное оборудование и средства, используемые при работе с вертушками, подразделяются на две группы: 1) приспособления для опускания и удержания вертушки в потоке; 2) сигнальные и регистрирующие устройства.
   Гидрометрическая штанга служит для крепления на ней вертушки. Штанга изготавливается из металлических труб диаметром 2–4 см с различной формой поперечного сечения (круглой, овальной, яйцевидной); для удобства транспортировки делается разборной в виде звеньев длиной 0,5–2,0 м. Звенья соединяются с помощью винтов или свинчиваются. На поверхности штанги нанесены деления через 1,5 или 10 см. На гидрологических постах применяются штанги круглого сечения диаметром 25–28 мм. Каждая штанга состоит из двух звеньев длиной 150 см, которые могут применяться отдельно или вместе. Штанги могут использоваться с упором в дно реки или без него. Вертушка в первом случае закрепляется винтами неподвижно, и для перемещения ее в нужную точку по глубине штангу вынимают из воды. Применение вертушки на упорной штанге возможно при глубине потока до 2,5 м и при скорости течения до 1,0–1,5 м/с.
   Подвесные штанги удерживаются на весу специальными штангодержателями или оттяжками. Вертушка закрепляется на нижнем конце штанги, и для установки на нужной глубине перемещается по высоте вся штанга. Работа с вертушкой на подвесной штанге производится обычно на горных реках с подвесного мостика или гидрометрической люльки.
   Указатель направления течения (визир) применяется для установки вертушки перпендикулярно створу при опускании ее на штанге. Указатель представляет собой металлическую планку с кольцом, закрепляемую на штанге выше поверхности воды параллельно оси вертушки. Указатель должен применяться при измерении скоростей на большой глубине и в мутной воде, когда вертушка сверху не видна.
   Стальной канат используется для опускания вертушки в потоки с большими глубинами. Для этого применяются оцинкованные канаты диаметром 1–4 мм или специальные канаты с сердечником в виде изолированного медного провода.
   Вертлюг служит для подвеса вертушки и груза на канате так, чтобы они были обращены навстречу течению. Вертлюг состоит из стержня с двумя кольцами и вращающейся части, к которой крепится вертушка. Посредством карабинов верхнее кольцо вертлюга соединяется с канатом, а нижнее кольцо – с грузом.
   Груз служит для уменьшения отклонения каната, на котором опускается вертушка, от вертикали. Современные грузы рыбовидной формы имеют специальный кронштейн или штырь для крепления вертушек, что дает возможность измерять скорости вблизи дна.
   Электрический звонок подает сигнал при замыкании сигнальной цепи контактным устройством вертушки. Замыкание происходит через определенное число оборотов лопастного винта вертушки. Вертушка должна быть снабжена двумя приспособлениями для электрической сигнализации (например, звонком и лампочкой), чтобы в случае повреждения одного из них во время работы можно было использовать другое.
   Время между сигналами вертушки определяется по секундомеру.
   В настоящее время применяются самопишущие приборы – хронографы, осциллографы и цифровые указатели значений скоростей, усредненных за необходимый интервал времени.
   Перед каждым измерением расхода воды следует тщательно осмотреть все детали ходовой части (ось и подшипники), проверить чистоту, исправность механизма и правильность сборки. При правильной сборке лопастный винт в нормальном и слегка наклонном положении должен от легкого дуновения воздуха сделать несколько оборотов.
   Перед измерением расхода воды проверяют исправность электрических элементов и приводов, регулируют сигнальное устройство (звонок, зуммер). В первую очередь осматривают и очищают от окислов и грязи винты и гайки, все контакты и концы проводов.
   После того как вертушка проверена и подготовлена к работе, ее закрепляют на штанге или канате для опускания в точки измерения скоростей.
   Хвостовое оперение, свободно насаженное на штангу вертушки, ориентирует ее по направлению набегающего потока. При больших глубинах используется канатный подвес с грузом. Наиболее рациональна установка вертушки на кронштейне груза, снабженного хвостовым оперением и уравновешивающим поплавком. Не реагируя на мелкомасштабные изменения скорости, он ориентирует вертушку по преобладающему направлению в горизонтальной плоскости.
   Необходимая продолжительность измерения скорости в отдельных точках зависит главным образом от пульсации ее мгновенных значений. Чем продолжительней измерение, тем меньше отличается его результат от значений скоростей, усредненных за достаточно длительный интервал времени. В действующих Наставлениях рекомендована выдержка при обычных измерениях 100 с, а при ускоренных – 60 с.
   Измерение скорости в точках можно производить в двух различных формах регистрации показаний вертушки: 1) при фиксации времени поступления отдельных сигналов, что позволяет проследить характер пульсации скорости в точке (применяется при многоточечном способе измерения расхода воды); 2) при записи общего времени и общего числа сигналов.
   В первом случае после установки вертушки на требуемую глубину пропускают два-три сигнала и по следующему сигналу включают секундомер. При редких сигналах записывается время поступления каждого сигнала, а при частых сигналах – через один, два и более сигналов. Число сигналов, а следовательно, и количество оборотов лопастного винта, поступающих за промежуток времени между записями, называется приемом. Число сигналов за прием определяется следующим образом: по концу очередного сигнала включают секундомер и считают количество сигналов, поступивших в течение 15 с. Это количество сигналов и составляет один прием.
   Во втором случае, установив вертушку на требуемую глубину, пропускают один или два сигнала (они называются нулевыми), включают секундомер и начинают счет сигналов. Если в течение 60 с поступит два или более сигналов, то по следующему сигналу (первому, поступившему по истечении 60 с) секундомер останавливается и измерение прекращается.
   Чтобы получить величину скорости в точке, сначала вычисляют суммарное количество оборотов N лопастного винта вертушки, умножая число оборотов за прием на число приемов. Затем делением суммы оборотов на продолжительность Т наблюдений в секундах определяется число оборотов n лопастного винта в одну секунду: n = N/T. По найденному числу оборотов по градуировочной таблице находится скорость течения.
   Измерение скорости морских течений связано со спецификой водной среды. Пункты наблюдений фиксированы, а для характеристики глубинных течений применяются специальные приборы, устанавливаемые на судах.
   Как отмечалось выше, скорость течения водных потоков является и экологической характеристикой, необходимой, в частности, при составлении экологических прогнозов.

3.12. Измерение расходов воды

   Расход воды в гидрологии является одной из основных характеристик режима и водности рек. Главные элементы расхода воды – площадь поперечного сечения и скорость потока.
   Расход воды определяется как средний за время измерения объем воды, протекающий через поперечное сечение потока за одну секунду; это измеренный расход воды, который относят к фиксированному уровню, усредненному за время измерения. Взаимное соответствие расходов и уровней воды используется для непрерывного учета речного стока по данным отдельных измерений расхода.
   Основные методы измерения расхода воды:
   1) метод «скорость—площадь», основанный на измерении поперечного сечения потока и скоростей течения в точках или суммарно на вертикалях по ширине русла;
   2) метод смешения – с вводом в поток воды индикаторов и определением степени их разбавления;
   3) гидравлические методы, применяемые с использованием специальных расходомерных устройств и характеристик пропускной способности гидротехнических сооружений и турбин ГЭС;
   4) объемный метод, основанный на фиксации времени наполнения мерных емкостей;
   5) физические методы – с применением ультразвука, электромагнитной индукции и др.
   Наиболее трудоемкая операция при определении расхода воды – это регистрация и усреднение скоростей потока.
   В настоящее время чаще всего применяются два способа определения расхода воды:
   – общее определение скоростей по вертикали вертушками, а также посредством твердых, воздушных и жидкостных поплавков;
   – общее определение поверхностных скоростей по ширине потока гидрометрической вертушкой с движущегося судна или люлек и канатных переправ, а также ультразвуковыми установками.
   Точность измерения расхода воды определяется количеством и размещением скоростных вертикалей. Одно из главных требований к их размещению состоит в том, чтобы отсеки между скоростными вертикалями пропускали равные доли общего расхода воды. Для обеспечения этого условия скоростные вертикали должны размещаться на границах струй в плане течений.
   Для определения положения вертикалей измеряют расходы воды, вычерчивают поперечный профиль русла и на нем строят кривую частичных расходов – в долях от общего расхода.
   Местоположение скоростных вертикалей определяется расстоянием от зафиксированного постоянного начала измерений. Это расстояние измеряют стальными лентами или рулетками и закрепляют метками на конструкциях гидрометрических мостиков или метками на разметочных канатах лодочных (паромных) переправ. На широких реках (более 300 м) положение скоростных вертикалей определяется инструментальными засечками с применением теодолита с берега либо секстанта – с судна. Во всех случаях угол, образуемый направлением гидравлического створа и лучом визирования на любую вертикаль, должен быть не менее 30°.
   При устойчивых руслах местоположение скоростных вертикалей остается постоянным. Однако при изменении условий движения потока на участке створа необходимо устанавливать дополнительные скоростные вертикали.
   В зарастающих руслах, где наблюдаются движения потока отдельными струями, следует назначать дополнительные вертикали как в струйных зонах, так и между ними.
   В пойме и руслообразных понижениях скоростные вертикали назначаются через две промерные вертикали. В остальной части поймы вертикали располагают более редко, чаще всего в переломных точках поперечного профиля.
   В случае большого различия в ширине русла и структуре потока при высоких и низких уровнях назначение скоростных вертикалей производится отдельно для условий половодья (паводков) и межени. При этом две-три скоростные вертикали в стрежневой части потока должны оставаться на одних и тех же местах.
   При русле, которое легко деформируется, положение скоростных вертикалей приходится устанавливать заново при каждом измерении расхода воды. Это делается сразу же после промеров поперечного сечения русла.
   Прежде чем приступить к измерениям скоростей, определяют рабочую глубину вертикали, относительно которой рассчитываются глубины погружения вертушки в точках. Рабочей глубиной вертикали при свободном ото льда русле считается расстояние от дна до поверхности воды, а при наличии льда (шуги) – расстояние от дна до нижней поверхности льда (шуги).
   Измеренная рабочая глубина сравнивается с глубиной, полученной при промерах. Если русло устойчивое и высота уровня воды не изменяется, то разница в глубинах не должна превышать удвоенную погрешность измерения.
   Если вертушка подвешена на канате, измерение глубины производится следующим образом:
   а) вертушку с грузом опускают так, чтобы ось лопастного винта находилась на поверхности воды, и при этом положении ставят показания счетчика на нулевую отметку;
   б) опускают вертушку до соприкосновения груза с дном и по счетчику производят отсчет. Чтобы получить рабочую глубину вертикали, нужно к показанию счетчика прибавить расстояние от оси вертушки до низа груза. При отклонении троса от вертикального положения более чем на 10° измеряется угол относа каната течением.
   После определения рабочей глубины намечают положение точек, в которых должна измеряться скорость течения, и вычисляют для них глубины погружения вертушки.
   При основном и сокращенном способах измерение скорости производится:
   а) в свободном русле и при ледяном покрове – в двух точках: на 0,2 и 0,8 рабочей глубины, а если глубина недостаточна (менее 0,75 м), – в одной точке соответственно на 0,6 или 0,5 рабочей глубины;
   б) при наличии в русле водной растительности в трех точках: 0,15; 0,50 и 0,85 рабочей глубины, а при недостаточной глубине – на 0,5 рабочей глубины.
   Одноточечные измерения скорости производятся в точках: 0,6h – в свободном русле, 0,5h – при наличии льда и водной растительности.
   Если измерения выполняются вертушкой, подвешенной на канате, глубина ее погружения в заданные точки вертикали определяется относительно поверхности воды и фиксируется по счетчику лебедки. При этом для основного способа измерения расхода воды допускается установка вертушки в заданную точку (0,2 и 0,8 рабочей глубины) по длине подводной части каната без введения поправки на его относ. Такая упрощенная операция неприемлема для детального способа. В этом случае необходимо учитывать относ каната. Если вертушка укреплена на штанге, положение скоростной точки берется относительно дна, так как штанга размечена от ее нижнего конца вверх. В этом случае глубины погружения вертушки рассчитываются следующим образом. Сначала вычисляется глубина опускания вертушки от поверхности, а затем вычисляется отсчет по штанге, т. е. расстояние от дна до оси вертушки, равное разности рабочей глубины и вычисленной глубины погружения прибора от поверхности.
   Вертушку на штанге следует укреплять неподвижно и устанавливать перпендикулярно гидрометрическому створу. Для контроля правильности положения вертушки на надводном конце штанги укрепляется указатель, ориентируемый параллельно или перпендикулярно оси лопастного винта.
   Вычисление расхода воды заключается в выполнении следующих операций:
   1) строится профиль водного сечения по глубинам, приведенным к расчетному уровню расхода;
   2) вычерчиваются эпюры распределения скоростей течения по вертикалям в масштабе глубин, принятом для профиля водного сечения;
   3) для каждой вертикали определяется средняя скорость течения графическим способом посредством планиметрирования ее площади, численно равной элементарному расходу q -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Средняя скорость на вертикали глубиной h -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

выражается формулой:

   4) строится эпюра распределения средних скоростей по ширине реки. Для этого на профиле по вертикальным линиям, обозначающим скоростные вертикали, вверх от уровня воды откладываются значения средних скоростей и через полученные точки проводится плавная кривая. С полученной эпюры снимаются значения средних скоростей для каждой промерной вертикали;
   5) для всех промерных вертикалей вычисляются элементарные расходы воды q (м/с) путем умножения средней скорости v на рабочую глубину вертикали;
   6) по вычисленным значениям элементарных расходов строится эпюра их распределения над поперечным профилем русла;
   7) производится планиметрирование площади, ограниченной линией уровня воды и эпюрой распределения элементарных расходов. Значение этой площади численно равно расходу воды.
   Правильное размещение скоростных вертикалей особенно важно при деформациях и зарастании русла и ледоставе.
   При ледоставе измерения расходов воды начинаются лишь с того момента, когда толщина льда достигнет 10 см. На каждой скоростной и промерной вертикали измеряются общая глубина, толщина погружения льда и шуги. На реках с устойчивым руслом и при отсутствии шуги промеры глубин можно производить не при каждом измерении расхода воды. Толщина погруженного льда на промерных вертикалях в этом случае определяется интерполяцией между измеренными значениями ее на скоростных вертикалях. При каждом измерении расхода воды устанавливается расстояние от постоянного начала до урезов нижней поверхности льда, а расстояние до урезов воды определяется по профилю створа.
   Расчет глубин точек для измерения скорости течения производится по рабочей глубине, которая вычисляется как разность общей глубины и толщины погруженного льда.
   Летний гидрометрический створ может оказаться непригодным для измерения расходов воды зимой. Чтобы правильно выбрать место для зимнего створа, производится предварительное обследование участка реки протяженностью 7—10 В (где В – ширина реки) с нивелированием водной поверхности для определения продольного уклона. Гидрометрический створ следует устраивать на середине участка с большим уклоном, где обычно скапливается меньше шуги и скорости течения достаточны для их измерения с необходимой точностью.
   Форма залегания шуги в течение времени может изменяться, поэтому промерные работы производятся при каждом измерении расхода воды. Если русло реки разделено шугой на несколько частей (рукавов), то в каждой из них назначается не менее трех скоростных вертикалей.
   Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных, поэтому поверхностные поплавки применяются при предварительных обследованиях рек и при выходе выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, в качестве поплавков служат отдельные льдины.
   Чтобы избежать влияния ветра на точность измерения расхода воды, поплавочные наблюдения проводят при штиле или небольшом ветре со скоростью 2–3 м/с. На больших реках поплавочные измерения могут производиться при скорости ветра до 5 м/с при условии ее измерения анемометром для введения соответствующих поправок.
   Для измерения расхода воды поверхностными поплавками выбирается прямолинейный участок реки с однообразными глубинами, шириной и продольным уклоном водной поверхности на протяжении 3—5-кратной ширины реки. По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние между крайними створами назначается таким, чтобы продолжительность хода поплавков между ними была не менее 20 с. Если на участке имеется гидрометрический створ, то он обычно служит средним створом, а верхний и нижний створы разбиваются параллельно ему на равных расстояниях. В 5—10 м выше верхнего створа назначается пусковой створ, с которого при измерении скорости течения пускаются поплавки с таким расчетом, чтобы при подходе к верхнему створу поплавок принял скорость той струи потока, которая его перемещает.
   На реках шириной до 100 м в средних створах натягиваются как можно ниже над водой тонкие стальные канаты.
   Положение верхнего и нижнего створов закрепляют вешками. Канат, натягиваемый через средний створ, размечается хорошо заметными с берега метками (например, свешивающимися с троса цветными полосками материи), которые служат для промера глубин и для определения мест прохождения поплавками створа. На широких реках, где пользоваться канатами неудобно или затруднительно, створы закрепляются вешками, а место пересечения поплавком среднего створа и положение промерных точек определяются засечками с берега угломерным инструментом.
   Измерение скорости поверхностными поплавками состоит в определении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ.
   В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место его прохождения от постоянного начала по размеченному канату или засечками с берега угломерным инструментом. Засечка поплавка производится в момент подачи сигнала наблюдателем, стоящим в среднем створе. На планшете техник ставит черточку на линии створа и около нее записывает номер поплавка. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.
   Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторяется в том же порядке. Всего пускается 15–20 поплавков, равномерно распределенных по ширине реки.
   Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки (например, на реках с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока), расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5—10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три поплавка с наименьшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени пуска не более чем на 10 %; при большем отклонении продолжительности хода пускается еще 5–6 поплавков.
   Запись результатов измерения расходов воды поплавками ведется в книжке КГ-7М(н).
   Гидрологическими расходомерами называются водосливы и лотки, применяемые на реках и каналах. Эти сооружения позволяют измерять расходы воды со средней квадратичной погрешностью 2–5 %. Важное значение при этом имеет простота измерений; расход воды определяется по гидравлическим зависимостям на основании измерения только уровня (напора) воды. Это дает возможность использовать гидрологические расходомеры для автоматизации учета стока малых рек, так как в сочетании с самописцами уровня воды они обеспечивают непрерывную фиксацию расходов воды.
   Водослив представляет собой преграду для движения потока в виде вертикальной стенки или порога, через которые переливается вода. В зависимости от толщины этой преграды и формы ее продольного профиля выделяют водосливы с тонкой стенкой, широким порогом и порогом практического профиля. По очертаниям водосливного отверстия водосливы подразделяются на прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, радиальные, параболические и т. п.
   Гидрометрический лоток – это сужающее устройство, в горловине которого устанавливается критический режим течения.
   Области потока, расположенные непосредственно выше и ниже водосливов или лотков, называются соответственно верхним и нижним бьефами.
   Мерой расхода воды через водослив или лоток служит напор воды. Для водосливов и лотков с донным и донно-боковым сжатием он равен превышению уровня воды верхнего бьефа над гребнем водосливной стенки или порога; для лотков, у которых горловина образована сжатием боковых стенок, напором является глубина воды над горизонтальным дном лотка на подходе к горловине. Объемный способ удобен для измерения дебита (расходов воды) ключей и родников. Этот способ играет роль рабочего эталона при градуировке лотков и водосливов, так как они позволяют обеспечить необходимый класс точности измерений, удовлетворяющий требованиям метрологической аттестации средств измерений.
   При проведении экологических исследований на реках определение величины расхода воды необходимо для оценки уровня ее загрязнения и для экологического прогнозирования.

3.13. Наблюдения и работы по изучению наносов

   Речные наносы – это твердые частицы минерального и органического происхождения, переносимые движущейся водой и формирующие русла и поймы рек, дно озер и водохранилищ.
   В зависимости от крупности частиц наносы подразделяют на семь основных фракций: глина, ил, пыль, песок, гравий, галька и валуны. Внутри фракций выделяют еще три подфракции: мелкую, среднюю и крупную.
   При изучении наносов в практической работе применяют понятие «гидравлическая крупность», т. е. скорость оседания (погружения) частицы в спокойной воде. Гидравлическая крупность существенно зависит от формы частиц (для частиц диаметром более 0,05 мм) и температуры воды.
   По характеру перемещения в потоке наносы разделяют на взвешенные и донные.
   Взвешенные наносы – это частицы, перемещающиеся вместе с массой заключающей их воды во взвешенном состоянии. Они формируются за счет наиболее мелких фракций, крупность которых постепенно увеличивается по мере приближения ко дну. Характеристикой количественного распределения взвешенных наносов в потоке является мутность воды, т. е. содержание массы наносов в единице объема смеси воды с наносами; она выражается в г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Мутность воды увеличивается от поверхности ко дну потока. Характер этого изменения наиболее выражен при крупнофракционном составе наносов. Мутность неравномерно распределяется и по ширине реки. Особенно резкие изменения мутности наблюдаются на участках рек, подверженных интенсивному размыву.
   К донным наносам относятся частицы, перемещаемые потоком в придонном слое путем скольжения, перекатывания и скачкообразно. Характер движения существенно зависит от скорости течения и турбулентностн потока, а также от формы, размеров и массы частиц. Движение скольжением наиболее характерно для частиц плоской формы при скоростях течения, незначительно превышающих скорость сдвига частицы. Увеличение скорости приводит к тому, что частицы независимо от формы начинают перекатываться, периодически поднимаясь и снова осаждаясь на дно. Скачкообразно перемещаются обычно частицы с гидравлической крупностью, близкой к максимальным значениям вертикальной составляющей пульсации скоростей течения в придонном слое. Скачкообразное перемещение частиц является основным видом движения донных наносов. В пробах воды на мутность часто встречаются довольно крупные фракции, характерные при данной гидравлике потока для донных наносов, и наоборот: донные наносы содержат мелкие частицы.
   Наносы, формирующие ложе потока и находящиеся в данный момент в состоянии покоя, называются донными отложениями. Донные отложения подвергаются постоянному воздействию потока.
   Количество наносов, проходящих через фиксированный створ водотока за тот или иной промежуток времени (сутки, декада, месяц, сезон, год), называется стоком наносов за этот период и вычисляется в тоннах массы. Распределение стока наносов в течение года очень неравномерно. Наибольшее количество наносов выносится реками во время паводков и половодий. На некоторых реках доля наносов, приходящаяся на периоды весеннего половодья, достигает 95 %. В многоводные годы сток наносов может быть в 20–30 раз выше нормы. На малых равнинных и горных реках часто наблюдается внутрисуточное изменение стока наносов, связанное с внутрисуточным колебанием уровней и расходов воды.
   Основным методом определения стока наносов служит измерение расходов взвешенных и влекомых наносов и последующее установление связи их количества с гидравлическими характеристиками потока и ежедневными мутностями воды. Качественная оценка наносов осуществляется на основании гранулометрического анализа и лабораторных исследований их физических свойств.
   Сведения о количестве, составе и режиме наносов используются при решении практических задач, связанных с правильными размещением и эксплуатацией гидротехнических сооружений, прогнозом заиления прудов и водохранилищ, выбором оптимальных вариантов работ по выправлению русла и дна реки, использованием воды для водоснабжения и орошения и при оценке экологических характеристик водных потоков.
   Расходом взвешенных наносов называется масса взвешенных наносов, проносимых потоком через живое сечение в одну секунду; обозначается P -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и выражается в кг/с.
   Расход взвешенных наносов связан с расходом воды Q и мутностью S -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

зависимостью:

   Количество измерений расходов взвешенных наносов в течение года определяется в зависимости от режима и изученности стока наносов на данном участке реки.
   Единичные пробы воды на мутность отбираются ежедневно один, два или несколько раз в сутки – в зависимости от изменения мутности. При назначении частоты и сроков наблюдений исходят из необходимости достаточно точного определения среднего суточного значения мутности. В связи с этим при неизменности мутности воды или ее плавном изменении (межень, половодье на крупных реках и т. п.) обычно ограничиваются одноразовым отбором единичной пробы в утренний срок наблюдения за уровнем воды, а при более выраженных изменениях – двухразовыми наблюдениями (в 08 и 20 часов).
   При работе большое значение имеет правильный выбор места отбора единичных проб. Основным критерием при этом служит устойчивость связи между значениями мутности единичной пробы и средней мутности потока. В связи с этим лучше всего производить отбор проб на репрезентативной (показательной) вертикали, по измерениям мутности на которой определяются расходы взвешенных наносов сокращенным способом. Отступление от этого возможно только при значительной удаленности гидрометрического створа от гидрологического поста. В этом случае вертикаль для отбора единичных проб назначается в стрежневой части потока в районе гидрологического поста. Необходимо строго соблюдать постоянство места отбора проб. Исключение из этого правила допускается только в случае, если выход на стрежневую вертикаль невозможен (ледоход, лесосплав и т. п.).
   Существует два способа отбора проб: одноточечный (0,6h) и двухточечный (0,2h и 0,8h), или интеграционный. Для надежного определения мутности необходимо, чтобы в пробе воды содержалось не менее 0,1 г наносов. В соответствии с этим объем пробы должен составлять при мутности 100 г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– не менее 1 л, при мутности 50 г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– не менее 2 л и т. д. При малых мутностях потока, чтобы не увеличивать объем проб, отбираемых в отдельных точках, их объединяют. Так, например, если единичная проба воды отбирается в двух точках по вертикали, то при мутности менее 100 г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

рекомендуется обе пробы объединить и обрабатывать вместе. Контрольные единичные пробы воды на мутность отбираются во время измерения расходов взвешенных наносов в том же месте и тем же способом, которые установлены для отбора единичных проб. В начальный период изучения стока наносов на гидрологическом посту эти данные используются для установления связи между единичной и средней мутностью потока, а в дальнейшем – для контроля и уточнения этой связи.
   Приборы для отбора проб воды на мутность называются батометрами. К ним относятся: батометр-бутылка на штанге (ГР-16, ГР-16М), батометр-бутылка в грузе (ГР-15) и вакуумный батометр (ГР-61). Это батометры длительного наполнения, позволяющие получать усредненные значения мутности воды во времени.
   Батометр-бутылка предназначен для отбора проб на мутность в отдельных точках вертикали или интеграционным способом. Он представляет собой литровую бутылку с металлической пробкой-головкой, в которую вмонтированы водозаборная и воздухоотводная трубки. При отборе проб воды батометр устанавливается на заданную глубину с помощью штанги или лебедки: в первом случае он вставляется в специальную обойму, закрепленную на штанге под углом 25° или горизонтально, во втором – помещается в полый груз рыбовидной формы.
   Крепление батометра на штанге под углом и горизонту дает возможность отбирать пробы воды в потоках глубиной от 0,5 до 2,5 м при скоростях течения до 1,5–2,5 м/с. Горизонтальное расположение батометра-бутылки в обойме позволяет отбирать пробы в 10 см от дна; в связи с лучшей обтекаемостью и наличием хвостового оперения измерение можно выполнять при скоростях течения до 3,0 м/с.
   При горизонтальном расположении батометра (батометр-бутылка в грузе и батометр ГР-16М) в потоках со скоростями менее 0,5 м/с бутылка полностью водой не заполняется.
   Точность определения мутности батометром-бутылкой зависит от соотношения скорости течения в точке отбора пробы и скорости движения воды в водозаборной трубке.
   Вакуумный батометр применяется для взятия проб точечным способом. Прибор состоит из трех основных частей: вакуумной камеры, вакуумного ручного насоса и водозаборного наконечника.
   Вакуумная камера служит емкостью для пробы воды. Батометры выпускаются с вакуумными камерами рабочим объемом 1 и 3 л. С двумя другими узлами вакуумная камера соединяется резиновыми шлангами, вводы для которых находятся в верхней части камеры и оборудованы кранами. В носике воронки батометра имеется кран для слива пробы. Четвертый кран, расположенный в верхней части камеры, предназначен для компенсации вакуума воздухом после окончания отбора пробы. Смотровая щель, проходящая вдоль образующей штанги цилиндрической части камеры, позволяет вести визуальный контроль за ее заполнением, отсчитывать объемы пробы по шкалам, расположенным слева и справа от смотровой щели.
   При отсутствии в комплекте батометра вакуумного манометра глубина вакуума при отборе пробы контролируется по расходу поступления воды в камеру, который зависит от скорости течения. Вакуумный батометр применяется при скоростях течения от 0,2 до 3,5 м/с. Высота установки вакуумной камеры над поверхностью воды при отборе пробы не должна превышать 3–4 м. Вакуумный батометр неприменим в высокогорных районах с высотой над уровнем моря более 2000 м.
   При отсутствии или повреждении батометра для отбора проб воды на мутность может быть использована литровая бутылка с широким или узким горлом. Как на штанге, так и на грузе бутылка вставляется в наклонную обойму под углом 25° к горизонту. К пробке бутылки крепится шнур, с помощью которого пробка выдергивается после установки бутылки в точке отбора пробы. Для определения объема пробы воды на верхней части бутылки (начиная с объема 800 мл) наносится шкала с ценой деления 20 мл.
   Переливая пробу из батометра или заменяющей его бутылки, необходимо следить, чтобы на их стенках не оставалось твердых частиц. Бутылки, в которые переливаются пробы, должны быть пронумерованы и тщательно вымыты.
   Количество взвешенных наносов в пробе воды определяется по разнице между результатами взвешивания фильтра до и после выделения на него наносов. Для фильтрования применяются специальные фильтры диаметром 11–13 см.
   Взвешивание фильтров производится на аналитических весах с погрешностью 0,0001 г. Как чистые фильтры, так и фильтры с наносами предварительно тщательно высушиваются в термостате в течение нескольких часов при температуре 105–110 °C до полного удаления из них гигроскопической влаги.
   При необходимости определения в наносах содержания органических веществ взвешенные фильтры с наносами сжигаются в специальных тиглях в муфельной печи. Разница массы тигля с золой и пустого тигля равняется массе минеральной части наносов, а вычтя последнюю из массы наносов до сжигания, получим количество содержащихся в наносах органических веществ.
   Фильтрование проб наносов выполняется на гидрологическом посту, все остальные операции – в лаборатории гидрологической станции или обсерватории.
   Наиболее распространены следующие способы фильтрования: а) автоматическое фильтрование; б) фильтрование после предварительного отстоя наносов; в) ускоренное фильтрование под давлением. При наличии в пробе очень мелких наносов перед фильтрованием в нее рекомендуется добавлять хлористый кальций, под действием которого мелкие частицы образуют хлопья.
   Автоматическое фильтрование выполняется в следующем порядке. На горлышко бутылки с пробой надевается резиновая трубка соответствующего диаметра. Зажав трубку зажимом, бутылку опрокидывают над воронкой с фильтром, вставленной в емкость для сбора отфильтрованной воды. В таком положении бутылку с пробкой укрепляют в специальном гнезде деревянной полки. Ослабляя зажим трубки, заполняют воронку водой настолько, чтобы ее уровень достиг конца трубки и в то же время располагался ниже края фильтра приблизительно на 1 см. Это достигается подбором соответствующей длины трубки. После этого зажим снимается, так как далее в воронке уровень воды будет поддерживаться автоматически до тех пор, пока не профильтруется вся проба. Так обычно фильтруются пробы объемом до 1 л.
   Фильтрование после предварительного отстоя наносов применяется при малой мутности и пробах большого объема. Продолжительность отстоя в сутках t определяется по формуле:

   где h – высота слоя воды в сосуде, см; K -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– коэффициент, учитывающий изменение скорости осаждения частиц диаметром менее 0,05 мм в зависимости от температуры. Добавление осадителя уменьшает время отстоя в 2–3 раза. После отстоя осветленная вода удаляется с помощью сифона, а остаток, объем которого должен составлять не более 1 л, подвергается автоматическому фильтрованию.
   Ускоренное фильтрование под давлением производится фильтровальным прибором Куприна (ГР-60). Прибор представляет собой цилиндрическую камеру емкостью 1 л, шарнирно соединенную с помощью зажима с воронкообразным основанием. Сверху воронка прикрыта сеткой с мелкой ячеей, на которую укладывается фильтр. В верхнюю крышку камеры вмонтирован резиновый шланг, к другому концу которого присоединяется насос. На время заливки воды в камеру крышка снимается, а потом плотно закрывается.
   При исследовании наносов используются меченые твердые частицы, а также приборы, основанные на принципе регистрации частоты и энергии удара частиц наносов.
   Батометр-сетка применяется для измерения расходов донных наносов преимущественно на горных реках, представляет собой прямоугольную металлическую раму шириной 25–40 см и высотой 20 см, к которой крепится металлическая или капроновая сетка.
   Этот батометр предназначен для улавливания влекомых наносов размером от 5 до 100 мм при глубинах до 2 м и скорости течения до 4 м/с.
   Измерение расхода влекомых наносов совмещается с измерениями расходов воды и взвешенных наносов. Пробы отбираются на всех скоростных вертикалях в пределах полосы активного движения влекомых наносов, т. е. полосы, где движение регистрируется батометром. Время выдержки батометра в точке назначается с таким расчетом, чтобы он заполнился наносами приблизительно на одну треть своего объема. При медленном движении наносов батометр выдерживается в точке 10 мин.
   Исследование химических характеристик воды проводится в гидрохимических пунктах. В состав наблюдений, выполняемых в гидрохимических пунктах, входят: а) визуальная оценка состояния водного объекта в районе наблюдений; б) определение температуры, цветности и прозрачности воды; в) отбор проб воды для химического анализа; г) измерение расхода и уровня воды.
   Визуальные наблюдения проводятся с целью выявления необычных для данного водного объекта явлений, прямо или косвенно свидетельствующих о появлении в воде загрязняющих веществ или изменении их концентрации. При этом отмечается: наличие и характер пленки на поверхности воды и на береговой полосе, плавающих примесей и пены; появление не свойственных данному объекту мутности, окраски, запаха и цветения воды; выделение пузырьков донных газов; гибель рыбы, лягушек, растений и т. п.
   Цветность воды определяется с помощью специальной шкалы цветности, представляющей собой набор из 22 стеклянных пробирок, заполненных цветными растворами разных оттенков – от чистого синего до коричневого. Пробирки укреплены в рамках, которые вставлены в двустворчатый футляр.
   Цветность воды определяется непосредственно после измерения прозрачности. Для этого белый диск опускается на половину глубины, соответствующей прозрачности, и на его фоне цвет воды сравнивается с цветом воды в пробирках. Найденная таким образом цветность воды обозначается номером соответствующей пробирки.
   Отбор проб воды для химического анализа в поверхностном слое производится обычно чистым эмалированным ведром.
   С более глубоких горизонтов отбор осуществляется специальными батометрами мгновенного наполнения, представляющими собой цилиндрические сосуды различной емкости, снабженные клапанами и крышками, которые закрываются под водой на заданной глубине. Батометр опрокидывающегося типа представляет собой металлический цилиндр емкостью 1 л, закрепленный на горизонтальной оси внутри прямоугольной рамы. В основаниях цилиндра расположены крышки, соединенные между собой пружиной, проходящей внутри цилиндра. Кроме того, батометр оборудован сливным краном и воздушным вентилем, а вдоль его образующей располагаются гильзы для двух глубоководных термометров.
   При проведении гидрологических работ применяются также автоматические станции контроля качества поверхностных вод (АСККПВ), позволяющие вести непрерывные или с заданным интервалом времени измерения уровня и температуры воды, растворенного кислорода и общей минерализации (электропроводности) воды.
   Наблюдения за химическим составом и загрязненностью воды проводятся в целях удовлетворения практических требований народного хозяйства (определение пригодности воды для бытового и промышленного водоснабжения, орошения полей, технического применения) и для оценки состояния природной среды.
   В состав наблюдений за химическим составом воды входят:
   – отбор проб воды;
   – полевые определения физико-химических свойств воды;
   – полный или сокращенный анализ отобранных проб.
   Гидрохимические наблюдения проводятся не менее четырех раз в год: в период ледостава при наибольшей толщине льда; в начале весеннего подъема уровня в озере (водохранилище); в период наибольшего наполнения водоема; при наименьшем наполнении в летне-осенний период.
   На химический состав воды значительное влияние оказывают воды, сбрасываемые промышленными и хозяйственно-бытовыми предприятиями. Большой объем сбросных вод вызывает загрязнение водоема, что причиняет значительный вред животному и растительному миру. На таких водоемах, помимо общего изучения химического состава воды, производятся специальные гидрохимические наблюдения за процессами загрязнения и самоочищения водоема. В состав экологических наблюдений входят:
   – отбор проб и производство полного химического анализа воды;
   – отбор проб донных отложений и их анализ.
   При подробных исследованиях дополнительно определяют: характер взвешенных веществ, углерод органический, биохимическое потребление кислорода за 5 суток (БПК -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), электропроводность воды, а также вид специфических загрязняющих веществ (например, нефтепродукты, ядохимикаты и т. д.).
   Наблюдения за загрязнением воды проводятся на вертикалях гидрологических разрезов, назначаемых непосредственно у места сброса сточных вод, а также на таком расстоянии от источника загрязнения, чтобы можно было определить область распространения загрязнения в зависимости от гидрологического режима водоема и от расхода сбросных вод.
   Наблюдения за процессами загрязнения и самоочищения водоемов проводятся при максимальном уровне воды; при наименьших уровнях воды в безледный период; с учетом штилевых условий и периода достаточно сильных ветров; в период ледостава при минимальном уровне.
   Оценка качества воды в водоемах позволяет определить уровень ее экологической опасности, а также прогнозировать такую опасность.

3.14. Экология и гидрология

   В современных условиях в гидрологии заметное место занимает экологическое направление исследований. С экологических позиций гидрология пока еще изучается не как единое целое, а по ее основным составляющим: экология океанов и морей, рек и озер, болот и водохранилищ; оценивается экологическая роль снега и льда. Однако и такой подход уже дает ощутимые научные и практические результаты. В частности, в морской экологии появился новый раздел – «Антропогенная экология Мирового океана»; в его рамках проводятся исследования по выявлению основных закономерностей негативных воздействий человека на океаническую и морскую среду, ее животный и растительный мир, а также изучается отрицательное антропогенное влияние на океаны и моря.
   С геоэкологических позиций изучаются и водоемы суши: загрязнение и санитарное состояние вод, их качество и влияние загрязнения на водные организмы. С учетом специфики тех или иных видов водоемов (реки, озера, болота и др.) при изучении каждого из них используются новые подходы, методологические приемы, средства и т. п.
   С развитием учения о гидросфере открываются возможности формирования в его рамках специального раздела – «Экология гидросферы». Его главный смысл – разработка научных представлений об экологическом состоянии водной оболочки как единого комплекса Земли и закономерностях ее изменения. Создание этого раздела и развитие его научной базы позволят заложить, а затем и сформулировать научные и методические основы экологического мониторинга биосферы, которые станут базой его практической организации.
   Необходимость в разносторонних экологических исследованиях всей гидросферы начинает ощущаться уже в настоящее время. Это связано со многими современными экономическими проблемами. Они актуальны при освоении и использовании Мирового океана, решении водохозяйственных вопросов, в деле охраны морских и пресных вод и т. д. Все это свидетельствует о важном экономико-экологическом значении гидросферы для человека.
   В наши дни экономическая наука все шире и глубже стала соприкасаться с природопользованием, вникать в экологию, применяя для исследования методы системного анализа. При таком подходе хозяйственные проблемы рассматриваются комплексно, с учетом требований окружающей среды, т. е. анализируется система «экономика—среда». Таким образом, на стыке экономики и экологии создается новое, экономико-экологическое, направление в науке. Оно в значительной мере оформилось в морских исследованиях. Гидроэкология Мирового океана – это наука о законах функционирования, устойчивости и развития экономико-экологических систем океанов и морей. Ее задача – изучение законов совместного, согласованного функционирования и развития экономики и морской среды в качестве подсистем в рамках целостной экономико-экологической системы Мирового океана. Таким образом, главная часть гидросферы – Мировой океан – уже стала предметом экономико-экологических исследований, очень актуальных в настоящее время.
   Не менее важным является экологизированный раздел «Воды суши по видам водных объектов» – рек, озер, водохранилищ и др. В настоящее время создается новое научное направление экономико-экологических исследований гидросферы в целом, где в системе «экономика—среда» в качестве последней выступит вся водная оболочка нашей планеты.
   Современный уровень науки о природных водах позволяет уже достаточно объективно оценивать их значение как части окружающей среды и сферы приложения деятельности человека. Специалист в области геоэкологии (в том числе выпускник системы среднего профессионального образования) вне зависимости от своей узкой специальности должен хорошо понимать роль и место воды в природе и разнообразных водных объектов в экономике. Необходимо представлять сущность природных процессов, происходящих в Мировом океане, реках, озерах, водохранилищах, болотах, ледниках, а также их вклад В формирование облика Земли. В сочетании с освоением других естественных наук основы знаний в области гидросферы существенно повысят природоведческую эрудицию геоэколога, необходимую для его профессии.
   Значительное антропогенное воздействие связано с интенсификацией использования биологических, минеральных, энергетических и других ресурсов Мирового океана, с развитием судоходства и морских перевозок различных грузов по океанам и морям. Увеличилось использование воды водоемов суши для хозяйственных нужд, при мелиорации и гидротехническом строительстве. Все это негативно сказывается на экологическом состоянии природных вод, поэтому они нуждаются в продуманной и действенной охране, рациональном использовании.
   В разработке природоохранных мероприятий и правил водопользования непосредственное участие принимают специалисты-геоэкологи. Чтобы принять правильное и научно обоснованное решение по этим непростым проблемам, геоэколог должен быть достаточно компетентным в данных вопросах.
   Загрязнение поверхностных вод происходит различными путями. Вместе с осадками вредные вещества из атмосферы попадают или прямо в поверхностные воды, или в почву, а из нее – в воду. Кислотные дожди изменяют и рН (кислотность) поверхностных вод.
   Много загрязнений поступает с промышленными и бытовыми сточными водами. Промышленные стоки содержат различные загрязнения – в зависимости от характера производства. Особо опасными являются нефтепродукты, фенолы, различные соединения металлов и такие сильные яды, как цианиды. Нефтепродукты, оставаясь на поверхности воды, препятствуют газообмену между водой и воздухом; 1 т нефти создает на водной поверхности пленку площадью 12 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В Москве наиболее опасными для столичных водоемов являются следующие вредные вещества: окислы металлов (железа, марганца, меди, цинка), нефтепродукты, фенолы, формальдегиды, аммоний, нитриты, фосфаты, сульфиды. Кроме этого, превышение предельно допустимых концентраций отмечается для железа, марганца, сульфидов, формальдегидов.
   Бытовые сточные воды содержат большое количество органических веществ (остатки продуктов, испражнений) с различными микроорганизмами (в том числе – болезнетворными).
   Часто в поверхностные воды попадают химические вещества, используемые в сельском хозяйстве (удобрения, пестициды, ядохимикаты), которые способствуют эвтрофикации (биологической гибели) водоемов.
   Нередко в воду попадают ядовитые (токсичные) вещества с «диких» или плохо контролируемых мусорных свалок, а затем просачиваются и загрязняют подземные воды. Таким же образом в подземные воды попадают загрязнения из поверхностных вод, со свалок, полей и загрязненных колодцев.
   Определенную опасность для подземных вод представляют и глубокие скважины, предназначенные для захоронения отходов (в том числе и радиоактивных). В случае плохой защиты в подземные воды могут попадать радиоактивные и другие загрязнения.
   Довольно часто подземные воды загрязняются в результате различных аварий (на нефтепроводах, в подземных емкостях для хранения жидкого топлива).
   Часть сточных вод перед сбросом подвергается очистке, но нередко при этом устраняются только грубые загрязнители. Зачастую же сточные воды (особенно бытовые) сбрасываются в водоемы без очистки. На рис. 3.2 приведена схема загрязнения поверхностных и подземных вод.
   Очистка сточных вод основана на принципах процессов самоочищения, которые происходят в природе.
   На схеме (рис. 3.3) представлена технология механической и биологической очистки бытовых сточных вод.
   Первая ступень – механическая очистка. Сначала с помощью решеток (сеток) отделяются крупные нерастворенные, плавающие загрязнения (бумага, тряпки и т. п.). После этого вода поступает в уловители – бетонированные емкости, в которых ток воды замедляется (до 0,2–0,3 м/сек), и твердые частицы осаждаются на дно (это так называемые песколовки). Следующие уловители имеют перфорированное днище, через которое в медленно текущую воду нагнетается воздух. Пузырьки воздуха перехватывают жировые частицы, которые выносятся на поверхность, а затем осаждаются (жироловушки, нефтеловушки).
   Осадок время от времени сгребается и вывозится в места временного захоронения или на переработку.

   Рис. 3.2. Схема загрязнения поверхностных и подземных вод

   Отстойники представляют собой бетонные емкости больших размеров, в которых движение воды еще более замедляется (до 0,01 м/сек) и в которых осаждаются мелкие частицы – менее 0,01 мм. Образующийся зернистый осадок удаляется и вывозится.
   В результате механической очистки из воды удаляется 40–70 % и более взвешенных в ней веществ, однако при этом не улавливается большинство взвешенных и растворенных в воде органических веществ.
   Следующая ступень – химическая очистка (на схеме не представлена). Она применяется при очистке питьевой воды. В воду добавляют вещества, вызывающие процессы коагуляции (различные хлористые соединения), в результате чего образуется осадок, содержащий загрязнения. Время от времени осадок удаляют.
   Для очистки сточных вод применяются также методы биологической очистки. При этом используются микроорганизмы, которые получают энергию для жизнедеятельности из органических веществ.

   Рис. 3.3. Схема очистки бытовых сточных вод

   Аэробные бактерии-аммонификаторы в аэротенках разлагают белки до аммония, а бактерии-нитрификаторы окисляют аммоний до нитратов и нитритов. Микроорганизмы или находятся в тонком слизистом слое на пористом материале внутри биологического фильтра, или непосредственно добавляются в воду в качестве активационного материала.
   Для уменьшения площади очистных сооружений применяют активный ил – слой мягкого грунта на дне, насыщенный микроорганизмами.
   Биологический фильтр представляет собой башню, наполненную пористым материалом (например, кирпичной крошкой), сквозь которую медленно стекает вода. В аэротенках приток кислорода обеспечивается перемешиванием воды и притоком в нее воздуха. При такой активации сточных вод скопления микроорганизмов бурно развиваются, о чем свидетельствует большое потребление кислорода, а также образование осадка в виде хлопьев. В отстойниках образовавшиеся хлопья осаждаются, и осадок частично возвращают в аэротенки, а большую часть удаляют и вывозят.
   При очистке воды образуется большое количество ила, который содержит много органических веществ и различных микроорганизмов. В нем с помощью анаэробных микроорганизмов начинают происходить процессы гниения. При этом образуется биогаз, содержащий главным образом метан (болотный газ). В метантенках метанообразующие бактерии сбраживают органические вещества, взвешенные или растворенные в сточных водах. В результате получается не только очищенная вода, но и биогаз.
   Осадок, если он не содержит токсичных веществ (в частности, окислов тяжелых металлов), обезвоживают, брикетируют и используют как топливо или добавляют к нему различные химические соединения (фосфаты и др.) и используют для производства органических удобрений.
   При биологическом способе очистки количество содержащихся в воде загрязняющих веществ уменьшается на 90–95 %, и этого вполне достаточно, чтобы ее можно было выпускать в реки и водоемы, где доочистка происходит уже естественным (природным) путем.
   Промышленные сточные воды, стоки больниц и других специальных объектов должны проходить дополнительную специальную очистку и дезинфекцию – в зависимости от характера загрязнений.
   Подробно схемы и методы очистки загрязненных вод приведены в курсе «Промышленная экология», однако автор посчитал целесообразным описать некоторые из них и в главе «Гидрология», с тем чтобы наглядно подчеркнуть связь между экологией и гидрологией.
//-- Контрольные вопросы --//
   1. Каковы цели и задачи гидрологии?
   2. Охарактеризуйте распределение воды и суши на Земле; приведите схему круговорота воды в природе.
   3. Дайте определения понятий «река», «речная система» и «речная сеть»; перечислите физико-географические характеристики водного бассейна.
   4. Что такое гидрологический режим рек?
   5. Приведите классификацию озер и водохранилищ.
   6. Дайте гидрологическую и экологическую характеристику болот и ледников.
   7. Каково влияние антропогенных факторов на подземные воды?
   8. Что представляет собой Мировой океан как гидрологическая система?
   9. Какую информацию включают в себя справочные гидрологические материалы?
   10. Дайте описание основных гидрологических наблюдений и промерных работ.
   11. В чем состоят особенности измерения скорости и расходов воды и темпа образования наносов?
   12. Оцените связь между гидрологией и экологией.

Литература

   Голицын А.Н. Основы промышленной экологии. М.: Академия, 2002.
   Голицын А.Н. Экология вашего дома. М.: Солон-Пресс, 2003.
   Голицын А.Н., Николаев А.В. Экологическая экспертиза: Учеб. пособие. М.: Среднее профессиональное образование, 2005.
   Горбылева А.И. Почвоведение с основами геологии. Минск: Новое знание, 2002.
   Гуральник И.И. и др. Метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
   Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. М.: Владос, 2001.
   Залогин Б.С. Учение о гидросфере. М.: МНЭПУ, 1996.
   Карасев И.Ф., Шумков И.Г. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
   Кудрицкий Д.М. Геодезия. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
   Моисеев Н.Н. Экология и образование. М.: ЮНИСАМ, 1996.
   Соломенцев Н.А. Гидрология суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
   Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
   Тарасов В.В. и др. Мониторинг атмосферного воздуха. М.: РХТУ, 2000.
   Хабаров А.В., Яскин А.А. Почвоведение. М.: Колос, 2001.
   Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Изд-во МГУ, 2001.
   Экзарьян В.Н. Геоэкология и охрана окружающей среды. М.: Экология, 1997.

Артур Николаевич Голицын Инженерная геоэкология Учебник