С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление
Курс лекций. — Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. — 192 с.

Глава 1. Ветровая эрозия

1.5. Факторы ветровой эрозии почв

1.5.1. Климатические факторы

1.5.1.1. Общие сведения об атмосфере

Земная атмосфера представляет собой механическую смесь газов, именуемую воздухом, с взвешенными в ней твердыми и жидкими частицами. Для количественного описания состояния атмосферы в отдельные моменты времени вводится ряд величин, которые называются метеорологическими величинами: температура, давление, плотность и влажность воздуха, скорость ветра и др. Кроме того, вводится понятие атмосферного явления, под которым понимают физический процесс, сопровождающийся резким (качественным) изменением состояния атмосферы.

К атмосферным явлениям относятся: осадки, облака, туман, гроза, пыльные бури и др. Физическое состояние атмосферы, характеризуемое совокупностью метеорологических величин и атмосферных явлений носит название погоды. Для анализа и прогноза погоды на географические карты наносят условными знаками и цифрами значения метеорологических величин, а также особых явлений погоды, определяемые в единый момент времени на обширной сети метеорологических станций. Такие карты называются картами погоды. Статистический многолетний режим погоды называется климатом.

Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся друг от друга рядом свойств. Слой, простирающийся от земной поверхности до высоты 10-15 км, называется тропосферой.

Температура воздуха в тропосфере уменьшается в среднем на 0,6° при подъеме на каждые 100 м. В тропосфере сосредоточена почти вся атмосферная влага. Процессы, протекающие в тропосфере, определяют погоду и климат у земной поверхности. В тропосфере содержится до 80% атмосферного воздуха.

В пределах тропосферы выделяют так называемый пограничный слой атмосферы или слой трения. Это слой, в котором на характер движения ветра оказывает влияние трение воздушного потока о поверхность Земли. Воздействие неровностей земной поверхности на характер движения воздуха в атмосфере прослеживается до высоты почти 1 км и зависит от интенсивности турбулентного обмена. При ослабленном турбулентном обмене — до высоты 0,3 — 0,4 км, а при усиленном — 1,5 — 2 км. Интенсивность турбулентного обмена зависит от множества факторов и в первую очередь — от скорости ветра и высоты препятствий на земной поверхности. Для пограничного слоя характерно убывание скорости ветра с приближением к земной поверхности.

В нижней части пограничного слоя вертикальные турбулентные потоки количества движения, тепла и пара над отдельными сравнительно однородными по шероховатости участками земной поверхности остаются постоянными. В связи с этим примыкающий к земной поверхности слой атмосферы, где имеет место постоянство турбулентных потоков по высоте, называется приземным слоем. Толщина приземного слоя атмосферы достигает десятков метров.

Земная поверхность редко бывает однородной по шероховатости. Поэтому для одной и той же воздушной массы, перемещающейся над участками поверхности с разной шероховатостью, вертикальные турбулентные потоки будут хоть и постоянны по высоте в разных пунктах, но различны по абсолютным значениям. Это связано с тем, что воздушная масса, по мере перемещения над новой поверхностью, постепенно переходит в состояние равновесия с ней. Поэтому область потока, возмущенную по сравнению с исходным состоянием, называют внутренним пограничным слоем. Внутренний пограничный слой начинается непосредственно у линии, разделяющей две поверхности (например, кукурузное и паровое поля) и постепенно распространяется в направлении потока над новой поверхностью. При достаточной протяженности новой поверхности внутренний пограничный слой заполнит собой весь приземный слой. Часть внутреннего пограничного слоя, пришедшая в равновесие с новой поверхностью, называется областью установившегося течения.

Область установившегося течения занимает примерно 10% толщины внутреннего пограничного слоя.

В пределах внутреннего пограничного слоя скорость ветра возрастает с высотой более резко, чем в выше расположенной части приземного слоя. Причем зависимость скорости ветра от высоты описывается так называемой логарифмической зависимостью. В отличие от вышележащих слоев направление ветра в пределах внутреннего пограничного слоя не испытывает правого (в северном полушарии) или левого (в южном полушарии) поворота.

В непосредственной близости к поверхности, т.е. в пространстве между гребнями на поверхности грунта, между комками и глыбами, слагающими её верхний слой, а также в пределах растительного покрова постоянство турбулентных потоков по вертикали не выполняется. Этот слой атмосферы называют слоем шероховатости.

1.5.1.2 Циркуляция атмосферы

Главная причина возникновения движения воздуха – неоднородное нагревание атмосферы Солнцем. Причем стратосфера нагревается в результате непосредственного поглощения лучистой энергии, а тропосфера — в результате обмена теплом с поверхностью Земли. Другая причина глобального движения атмосферы — вращение Земли вокруг своей оси. Обе эти причины приводят к возникновению неоднородности барического поля (поля атмосферного давления), к возникновению барических градиентов.

Систему крупномасштабных воздушных течений над Землей называют, обшей циркуляцией атмосферы. Характерной ее особенностью является наличие фронтальных зон, разделяющих воздушные массы с разными физическими свойствами, и огромных вихрей — циклонов и антициклонов — порожденных движением этих масс. В зависимости от места формирования различают арктические (в южном полушарии — антарктические), полярные (умеренного пояса), тропические и экваториальные воздушные массы. На общую циркуляцию накладываются местные циркуляции — бризы (на побережьях), горно-долинные ветры, ледниковые ветры и др.

Циклон представляет собой область пониженного давления в атмосфере, имеющую поперечник в несколько тысяч километров. Циклон характеризуется системой ветров, дующих от периферии к центру против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке — в Южном. При циклоне преобладает пасмурная погода.

Антициклон — это область повышенного давления в атмосфере, столь же обширная, как и циклон, но с ветрами, дующими от центра к периферии. Для антициклона характерна малооблачная и сухая погода.

На территории России условия для проявления ветровой эрозии почв чаще всего возникают на южной или юго-западной периферии антициклонов или между антициклоном и углубляющимся циклоном. Пыльные бури, приуроченные к штормовой зоне, называют внутримассовыми. Для них характерны наибольшие интенсивность и продолжительность. Менее продолжительные пыльные бури возникают в зоне усиления ветра перед движущимися холодными фронтами. Их называют фронтальными пыльными бурями.

Значительный вклад в общую циркуляцию атмосферы вносят так называемые местные ветры. Происхождение их различно. Они могут быть проявлением местных циркуляции, не зависящих от общей, но могут заключаться во внесении изменений в общую циркуляцию, например в результате взаимодействия потока с горной системой или выступающими элементами рельефа.

Примером ветров, возникших в результате взаимодействия общего течения с элементами рельефа, является фён. Фён — теплый сухой порывистый ветер дующий временами с гор. При переваливании потока через горную систему происходит адиабатическое нагревание воздуха, поэтому во время фена температура воздуха поднимается. Другим примером таких ветров является бора — сильный холодный порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону относительно теплого моря.

Собственно местные ветры характерны для отдельных географических районов и не связаны с общей циркуляцией. В горных условиях это горно-долинные ветры. Они возникают потому, что днем борта долины нагреваются сильнее, чем дно и прилегающая долина, в результате днем ветер дует с равнины в горло долины и вдоль нее. Ночью картина обратная и холодный воздух стекает по склонам гор в долину и далее — на прилегающую равнину. На равнине это бризы. Бриз — это периодический, суточный береговой ветер, вызываемый неравномерностью нагревания воды и суши, дующий днем с воды на сушу, а ночью в обратном направлении. Бризы играют большую роль в переносе песка из зоны прибоя в глубь берега.

В условиях неустойчивой атмосферы часто образуются вихри с вертикальной осью, напоминающие циклоны в миниатюре. Такие вихри, возникающие над морем, называют смерчами, а возникающие над сушей — тромбами (в Северной Америке — торнадо). Скорости ветра в вихрях весьма велики (по некоторым сведениям они приближаются к скорости звука). Отдельные тромбы отличаются большими размерами (до нескольких сотен метров в поперечнике), значительной скоростью перемещения (30-40 км/час), большой продолжительностью существования (до нескольких часов) и значительными разрушениями, которые они после себя оставляют. Существуют и вихри с горизонтальной осью. Движение такого вихря, обычно связанного с грозовым облаком, приводит к возникновению шквала. Шквал сопровождается кратковременным увеличением скорости ветра до 30-40 м/с.

При определенных условиях все составляющие общей циркуляции атмосферы могут сопровождаться явлением ветровой эрозии почв, что приводит к запылению атмосферы. В метеорологии явление переноса частичек грунта сильным ветром называется пыльной бурей. Горизонтальная протяженность пыльной бури — от десятков и сотен метров до нескольких тысяч километров, а вертикальная — от нескольких метров до нескольких километров.

1.5.1.3. Режим ветров

Скорость ветра закономерно изменяется в течение суток, вместе с ней изменяется и интенсивность процессов ветровой эрозии почв. Очевидно, что чем продолжительнее ветер, имеющий скорость больше критической, тем больше будут потери грунта. Обычно скорость ветра в течение дня возрастает, достигая максимума к полудню, а к вечеру убывает. Однако нередки случаи, когда интенсивность ветровой эрозии слабо изменяется в течение суток. Скорость ветра подвержена также закономерным сезонным изменениям. Наибольшие скорости ветра характерны для поздней зимы и ранней весны. Период сильных ветров совпадает с периодом отсутствия достаточного растительного покрова.

Для осуществления противоэрозионных мероприятий необходимы сведения о ветровом режиме территории. Основанием для анализа ветрового режима территории служат данные метеостанций. Скорость ветра измеряют на высоте флюгера метеостанции (10-15 м над поверхностью) с помощью чашечных анемометров, анемографов (самописцев для измерения скорости) и анеморумбографов (самописцев для измерения скорости и направления ветра). Измерения производят через каждые 3 ч. Ветровой режим территории характеризуют величинами средних годовых и месячных скоростей ветра, а также показателями обеспеченности и направления ветров разной силы. Для качественной оценки силы ветра используют шкалу Бофорта (таблица 6). Для количественной оценки вредоносности ветра его надо сравнить с критической для данного грунта скоростью ветра.

Таблица 6 – Шкала Бофорта

Важнейшей характеристикой ветрового режима территории, необходимой для грамотного размещения противоэрозионных мероприятий, является направление опасных ветров. Чаще всего, его определяют с помощью розы ветров, которая представляет собой диаграмму распределения числа случаев ветра по основным румбам (направлениям) горизонта (рисунок 3).

Для построения розы ветров от начала полярных координат откладывают по направлениям основных румбов отрезки, пропорциональные повторяемости ветров данного направления, а концы отрезков соединяют ломаной линией.

Рисунок 3 – Роза ветров

В центре диаграммы, в кружке, указывают повторяемость штилей (моментов наблюдения, во время которых ветер отсутствовал). Роза ветров позволяет выявить преобладающие направления ветра, которые не всегда совпадают с наиболее опасными в отношении ветровой эрозии. Более наглядно наиболее опасные направления выявляются на годографах ветров.

Годограф ветров (предложен А.С. Медновым и А.И. Знаменским) представляет собой векторную диаграмму, отражающую все случаи наблюдения на данной метеостанции ветра сильнее 5 м/с. Результат каждого такого измерения изображают в виде вектора в произвольном масштабе.

Начало каждого последующего вектора откладывается от конца предыдущего. Годограф дает ясное и наглядное представление о наиболее вероятных направлениях переноса песка ветром (поэтому и отбрасываются все случаи со скоростью менее 5 м/с, которая принимается за критическую).

Потери грунта в результате ветровой эрозии прямо пропорциональны скорости ветра в кубе, поэтому более обоснованное представление о наиболее опасном в отношении ветровой эрозии почв направлении ветра пропорциональна кубу скоростей ветра, превышающих критическую для почв:

                                            (1)

где    – направление по 16 румбам; (за нулевой принят восточный румб);

 – средняя скорость ветра для -ой группы скоростей (поскольку каждая конкретная зафиксированная в установленные на метеостанциях сроки скорость ветра заменяется при расчетах величиной , являющейся средней для того наперед заданного интервала скоростей, в который попадает эта скорость );

 – доля скоростей -ой группы -го румба от общего числа случаев ветра всех направлений (со скоростями превышающими 5,4 м/с, которая в первом приближении признана критической для всех почв и грунтов), зафиксированного за достаточно длинный ряд лет (если индекс годовой) или за ряд лет для одного и того же месяца (если индекс месячный).

Наиболее опасным считается то направление , для которого вектор , будет наибольшим. Годовой индекс , дает возможность определить наиболее опасное направление ветров в среднем за год. Более полезным является месячный индекс , поскольку он характеризует годовую динамику наиболее опасного в отношении ветровой эрозии направления ветров. Сопоставляя динамику , по месяцам с динамикой защищенности грунта растительностью можно с большей надежностью определить наиболее опасное направление ветров, вызывающих ветровую эрозию почв.

1.5.1.4. Режим атмосферных осадков и температуры

Атмосферные осадки, увлажняя почву, увеличивают межагрегатное сцепление и, следовательно, ее противодефляционную стойкость.

Кроме того, атмосферные осадки и колебания температуры оказывают значительное механическое воздействие на структуру почв. Результаты этого воздействия зависят не только от его особенностей (размера капель, интенсивности и продолжительности дождя, количества циклов увлажнения-иссушения или замерзания-оттаивания), но и от свойств грунта.

С количественной стороны влияние попеременного увлажнения грунта дождем и иссушения ветром на ее противодефляционную стойкость изучено недостаточно. Известно, однако, что при этом происходит консолидация частиц поверхностного слоя грунта, сопровождающаяся увеличением ее противодефляционной стойкости. Степень консолидации зависит от гранулометрического и солевого состава, а также от качества органического вещества. Увлажнение грунта атмосферными осадками увеличивает ее противодефляционную стойкость и, как правило, снижает вероятность проявления ветровой эрозии. В то же время оно не может обеспечить защиту грунта от выдувания в течение длительного времени. При достаточно сильном и сухом ветре противодефняционная стойкость грунта в результате иссушения довольно быстро уменьшается до величины, достаточной для возникновения ветровой эрозии.

Огромное влияние на противодефляционную стойкость грунта оказывает также температурный режим. Чередование положительных и отрицательных температур в течение суток сопровождается попеременным промерзанием и оттаиванием поверхностного слоя грунта. Если эти явления продолжаются достаточно долго, а грунт при этом находится во влажном состоянии, то происходит существенное уменьшение ее противодефляционной стойкости.

Наиболее существенным в отношении ветровой эрозии почв является опосредованное влияние атмосферной влага и температурного режима через биологические факторы такие, как защитное действие растительности и структурообразующая роль живых организмов.