9.1. Антропогенные воздействия на микроклимат сельской местности

Влияние человека на климат биосферы начало проявляться несколько тысяч лет тому назад в связи с развитием земледелия. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также к изменению режима влажности почвы, испарения и речного стока. В сравнительно сухих областях уничтожение лесов часто сопровождалось усилением пыльных бурь и разрушением почвенного покрова, заметно изменяющими природные условия на этих территориях.

Однако, уничтожение лесов на обширных пространствах, оказывало ограниченное влияние на метеорологические процессы большого масштаба.

Уменьшение шероховатости земной поверхности и некоторое изменение испарения на освобожденных от лесов территориях несколько изменяют режим осадков, хотя такое изменение сравнительно невелико, если леса заменяются другими видами растительного покрова.

Более существенное влияние на осадки оказывает полное уничтожение растительного покрова на некоторой территории, что неоднократно – происходило в прошлом в результате хозяйственной деятельности человека. Такие случаи, в частности, имели место после вырубки лесов в горных районах со слабо развитым почвенным покровом. В этих условиях эрозия быстро разрушает не защищённую лесом почву, в результате чего

становится невозможным дальнейшее существование развитого растительного покрова. Аналогичное положение возникает в некоторых областях сухих степей, где естественный растительный покров, уничтоженный вследствие неограниченного выпаса сельскохозяйственных животных, не возобновляется, в связи, с чем эти области превращаются в пустыни.

Поскольку земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, относительная влажность воздуха над ней падает, что повышает уровень конденсации и может уменьшать количество выпадающих осадков. Возможно, что такой механизм имеет значение для объяснения отмеченных выше случаев не возобновления естественной растительности в сухих районах после её уничтожения человеком.

Насаждение лесов также сопровождается изменениями метеорологического режима, которые, однако, в основном ограничиваются приземным слоем воздуха. Из различных форм лесонасаждений наибольшее влияние на климат оказывают полезащитные лесные полосы, широко применяемые как средство мелиорации.

Полезащитные полосы обычно представляют собой древесные насаждения шириной от нескольких метров до нескольких десятков метров, которые окаймляют квадратные или прямоугольные поля, имеющие размеры от нескольких сотен метров до 1-2 км.

Лесные полосы чаще применяются в засушливых районах, где они способствуют поддержанию более благоприятного режима увлажнения на сельскохозяйственных полях.

Главным фактором влияния лесных полос на метеорологический режим приземного слоя воздуха является их ветрозащитное действие, которое сводится к уменьшению средней скорости ветра на межполосных полях и к уменьшению интенсивности турбулентного обмена в самом нижнем слое воздуха, вблизи поверхности земли.

Ослабление турбулентного обмена в нижнем слое на межполосных полях объясняется тем, что воздушные вихри, движущиеся вблизи, поверхности земли, попадая в лесную полосу, в значительной мере разрушаются. Вследствие этого воздушный поток, просочившийся через лесную полосу, оказывается лишенным крупных вихрей, что существенно уменьшает интенсивность вихревых движений в этом потоке.

Следует отметить, что такой эффект наблюдается только для продуваемой лесной полосы, через которую воздушный поток просачивается сравнительно свободно. Густая, не продуваемая лесная – полоса действует, на воздушный поток совершенно иначе. За такой полосой создается сравнительно небольшая зона затишья, а затем скорость быстро возрастает и приближается к условиям ветрового режима в открытой степи. При этом уменьшения размера воздушных вихрей в приземном слое не наблюдается.

Эти явления объясняются тем, что, приближаясь к не продуваемой лесной полосе, воздушный поток несколько приподнимается вверх, огибает её сверху, затем сразу же опускается и приходит примерно в первоначальное состояние.

Уменьшение интенсивности вихревых движений в нижнем слое воздуха на межполосных полях имеет большое практическое значение. Материалы имеющихся исследований показывают, что вихревые движения непосредственно влияют на развитие двух метеорологических явлений – сдувание снега с полей и образование пыльных бурь. Уменьшение турбулентного обмена вблизи земной поверхности предотвращает или ослабляет пыльные бури и способствует сохранению запасов снега на межполосных сельскохозяйственных полях.

Существенное значение имеет также уменьшение турбулентного обмена для сохранения запасов влаги в почве в теплое время года.

Величина возможного испарения (испаряемость) в числе ряда других метеорологических факторов зависит от интенсивности турбулентного обмена в приземном слое воздуха. Турбулентный обмен – бурное беспорядочное течение воздуха (воды), при – котором происходит перемешивание слоев. Выполненные расчеты, показали, что при уменьшении средних значений коэффициента обмена в приземном слое воздуха на 20% испаряемость уменьшается примерно на 10%.

Кроме уменьшения испаряемости/ полезащитные лесные полосы способствуют увеличению запасов снега на полях и некоторому увеличению количества выпадающих осадков. Влияние всех этих .факторов приводит к значительному повышению влажности почвы на полях, защищенных полезащитными лесными полосами.

Многочисленные наблюдения доказали, что на полях с полезащитными лесными полосами заметно уменьшается сток снеговых вод. Это уменьшение в значительной мере объясняется изменением условий распределения снежного покрова на защищенных полях по сравнению с незащищенными: на полях в системе лесных полос ослабление скорости ветра и турбулентного обмена в приземном слое воздуха создает условия для сравнительно равномерного распределения снежного покрова, тогда как на открытых полях значительная часть снега сносится в овраги и другие углубления рельефа и после таяния в основном расходуется на сток. Кроме того, повышенная фильтрационная способность почвы под лесными полосами обеспечивает несколько большее задержание талых вод на полях в системе полос по сравнению с открытыми полями, что также уменьшает весенний сток снеговых вод в условиях полезащитного лесоразведения.

Некоторое влияние на водный баланс почвы в условиях полезащитного лесоразведения может оказать также изменение количества осадков, обусловленное изменением вертикальных скоростей в атмосфере над лесными полосами и изменением испарения.

Для оценки общего влияния изменений указанных гидрометеорологических факторов на водный баланс почвы можно использовать уравнения теплового и водного балансов при учете значений интегрального коэффициента диффузии (рассеивания), стока и осадков, соответствующих условиям осуществления полезащитного лесоразведения.

Выполненные таким методом расчеты показывают, что на полях, защищенных лесными полосами, значительно увеличивается влажность почвы и несколько возрастает испарение. При этом увеличение влажности почвы имеет различный характер в различные сезоны в соответствии с условиями изменения турбулентного обмена, стока и осадков.

Если наряду с задержанием стока талых вод система лесных полос снижает турбулентный обмен летом и одновременно увеличивает осадки, то влажность почвы возрастает не только в начале вегетационного сезона, но и в его второй половине.

Если же (как это часто бывает) влияние лесных полос проявляется главным образом в увеличении снегозапасов и уменьшении весеннего' стока («зимний эффект»), то влажность почвы возрастает только весной и в начале лета.

Достигаемое в этих условиях увеличение количества продуктивной влаги в почве – может иметь порядок нескольких десятков процентов от количества влаги на полях, не защищенных лесными полосами, при прочих равных условиях.

Эти выводы хорошо подтверждаются данными наблюдений в районах с развитыми лесными полосами продуваемой конструкции.

Значительное повышение количества свободной влаги в почве и некоторое увеличение общего испарения могут существенно – повысить урожай сельскохозяйственных культур в зоне умеренных широт. Повышение урожаев определяется увеличением продуктивности транспирации растений (чему способствует также уменьшение обмена и скорости ветра в приземном слое воздуха). Кроме того, при повышении влажности почвы заметно возрастает отношение количества воды, расходуемой на транспирацию (испарение влаги через растения), к общему испарению, что при увеличении общего испарения также увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур.

Таким образом, применение полезащитного лесоразведения может обеспечить значительное изменение водного баланса почвы и заметно повысить урожайность, что, как известно, подтверждается материалом многочисленных опытных работ.

Наряду с влиянием на водный баланс почвы лесные полосы играют большую роль в ослаблении пыльных бурь, которые в отдельные годы сильно повреждают почвенный покров в засушливых районах. Значение лесных полос как фактора защиты от пыльных бурь наглядно проявляется зимой, когда в южной части Европейской территории России происходят сильные пыльные бури. Как показало проведенное обследование, повреждение озимых на полях, защищенных лесными полосами, было в несколько раз меньше по сравнению с полями без лесных полос.

Лесные полосы применяются также и в районах достаточного увлажнения, где они, ослабляя турбулентное перемешивание, повышают среднюю температуру земной поверхности в теплое время года. В таких условиях лесные полосы оказывают благоприятное влияние на развитие теплолюбивых культур и ускоряют сроки созревания многих сельскохозяйственных растений.

Не останавливаясь на других путях изменения метеорологического режима посредством регулирования растительного покрова, отметим, что воздействие человека на растительный покров является фактором, позволяющим в известных пределах изменять климатические условия в приземном слое воздуха.

Один из путей влияния человека на климат связан с применением искусственного орошения. В засушливых районах орошение используется в течение многих тысячелетий, начиная с эпохи древнейших цивилизаций, возникших в долине Нила и в междуречье Тигра и Евфрата.

Применение орошения резко изменяет микроклимат орошаемых полей. Из-за значительного увеличения затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности, что приводит к понижению температуры и повышению относительной влажности нижнего слоя воздуха. Такое изменение метеорологического режима, однако, быстро затухает за пределами орошаемых полей. Поэтому орошение – приводит только к изменениям местного климата и мало влияет на метеорологические процессы большого масштаба.

Остановимся подробнее на физическом механизме изменений метеорологического режима при орошении.

При орошении в условиях климата сухих степей, полупустынь ' и пустынь происходит существенное увеличение радиационного баланса, которое может достигать нескольких десятков процентов и более от его первоначальной величины.

Увеличение радиационного баланса объясняется, с одной стороны, увеличением количества поглощенной коротковолновой радиации вследствие уменьшения величины альбедо, которая для влажной почвы, покрытой более или менее обильной растительностью, заметно меньше обычных значений альбедо поверхности пустыни и полупустыни.

С другой стороны, снижение температуры подстилающей поверхности и повышение влажности нижнего слоя воздуха при орошении обеспечивают уменьшение эффективного излучения, что также увеличивает радиационный баланс.

Орошение в условиях сухого климата приводит к резкому увеличению затраты тепла на испарение, величина которого определяется главным образом нормами орошения. При обычных оросительных нормах повышение затраты тепла на испарение, как правило, превышает увеличение радиационного баланса. Вследствие этого величина турбулентной теплоотдачи, заметно уменьшаясь, достигает при достаточно больших нормах орошения отрицательных значений, соответствующих направлению среднего турбулентного потока тепла от атмосферы к подстилающей поверхности. Это проявляется в возникновении дневных температурных инверсий.

Таким образом, орошение в условиях сухого климата значительно уменьшает, как турбулентный поток тепла (который может даже переменить знак), так и поток тепла, переносимого длинноволновым излучением. При орошении достаточно больших площадей это может привести к заметным изменениям условий трансформации воздушных масс на данной территории.

Изменения составляющих теплового баланса при орошении можно оценить по данным наблюдений в Пахта-Арале (Средняя Азия). Результаты этих наблюдений, позволяют сравнить составляющие теплового баланса орошенного оазиса и окружающей его полупустыни для летних условий.

Данные заметное увеличение радиационного баланса в оазисе по сравнению с полупустыней, а также большую затрату тепла на испарение с орошенных полей (в полупустыне испарение за рассматриваемый период практически равнялось нулю). Как отмечено выше, орошение оказывает существенное влияние на термический режим. В пустынях и сухих степях из-за малых величин затраты тепла на испарение поглощенная земной поверхностью солнечная радиация в основном расходуется на нагревание атмосферы путем турбулентной теплоотдачи и длинноволнового излучения. В таких условиях наблюдаются очень высокие температуры земной поверхности.

В результате нагревания нижнего слоя воздуха температура в нем повышается, а относительная влажность падает. Понижение относительной влажности в свою очередь способствует уменьшению количества выпадающих осадков.

При орошении засушливых территорий происходит существенное изменение водного баланса почвы. Величины испарения в результате орошения резко возрастают, причем их увеличение равно – нормам орошения за вычетом потерь оросительной воды на инфильтрацию. Соответственно значительно увеличивается затрата тепла на испарение, что приводит к существенному понижению температуры земной поверхности.

Хотя при орошении заметно возрастает радиационный баланс земной поверхности из-за уменьшения величины альбедо, при обычных оросительных нормах повышение затраты тепла на испарение значительно превышает увеличение радиационного баланса.

При орошении достаточно больших площадей это приводит к существенным изменениям условий трансформации воздушных масс, в результате чего над орошенными территориями меняется режим температуры и влажности нижних слоев воздуха. Поступающий извне теплый сухой воздух при движении над орошаемой территорией увлажняется и охлаждается.

В степной зоне влияние орошения на температуру и влажность воздуха несколько меньше, что в первую очередь связано с меньшим дополнительным расходом воды на испарение.

Следует отметить, что орошение засушливых территорий, снижающее температуру на орошаемых полях, повышает среднюю температуру приземного воздуха. Понижение температуры в орошаемых районах связано с ростом затраты тепла на испарение, но этот рост для Земли в целом компенсируется таким же увеличением прихода тепла от конденсации, которое выделяется в атмосфере других районов, где конденсируется созданный орошением водяной пар.

Наряду с этим при орошении пустынь и сухих степей заметно уменьшается альбедо земной поверхности, что увеличивает количество радиации, поглощенной в системе Земля – атмосфера. Альбедо – величина, характеризующая способность поверхности отражать падающий на нее поток электромагнитного излучения Солнца, Альбедо равно отношению падающего потока к отраженному.

Осушение заболоченных территорий обычно оказывает на климатические условия действие, обратное орошению: в связи с уменьшением влажности почвы повышается температура почвы, уменьшается испарение, в более ранние сроки весной может быть начата обработка почвы, облегчается уборка урожая осенью и т.д.

Одним из способов осушения и тем самым отепления переувлажненных почв является гребневая вспашка, применяемая на севере при недостатке тепла. В результате такой обработки почва в пахотном слое оказывается теплее на 1-1,5° по сравнению с ровными полями.

Естественное торфяное болото обладает рядом свойств, существенно отличающихся от свойств минеральных почв. Торф во влажном состоянии содержит большое количество воды и поэтому обладает большой теплоемкостью при значительной теплопроводности. В отличие от него, высохший торф и покрывающая его моховая растительность характеризуется малой теплопроводностью. Сильно прогреваясь днем и охлаждаясь ночью, сухой поверхностный слой торфа пропускает мало тепла в нижележащие слои почвы. Поэтому в начале лета под таким торфяным слоем долго удерживается мерзлота, исчезающая иногда лишь после дождей, увлажняющих почву. Летом торфяные почвы болота относительно холодны, зимой, наоборот, болото мало промерзает, а под снежным покровом нередко оттаивает в течение зимы. Испарение с неосушенных болот меняется в широких пределах. Если торф тонок (как бывает обычно на низинных травяных болотах), то болото покрывается летом густой травянистой растительностью, с которой при достаточных запасах влаги испаряется количество воды, близкое к максимально возможному при – данных энергетических ресурсах. При толстом слое торфа (обычно верховые болота) травянистую растительность сменяют мхи. Они хорошо впитывают воду, но сравнительно мало ее испаряют, особенно если болото покрыто кустарниковой растительностью. Болота на севере Европейской территории России насыщены влагой и испаряют на несколько десятков процентов больше, чем суходолы. В центральной части этой территории испарение с них в среднем за год не больше испарения с суходолов, а в более сухих районах оно может оказаться меньшим, чем с полей.

В зависимости от того, каким образом и для каких целей производится .осушение, меняется и климат болот. Так, для целей добычи торфа производится глубокая осушка болот. Из-за малой капиллярной проводимости торфа при глубокой осушке поверхность болота легко пересыхает, растительность на ней погибает, и испарение существенно снижается. На поверхности сухого торфа резко возрастают суточные колебания температуры.

Совершенно иначе производится осушение болот для целей превращения их в сельскохозяйственные угодья; соответственно меняется при осушении и микроклиматический режим. Осушение в этом случае захватывает только поверхностные слои. В таких условиях испарение с растительности определяется энергетическими ресурсами, а также состоянием и фазой развития растительности. В общем, в периоды вегетации испарение приближается к испаряемости.

Над влажной поверхностью торфа не наблюдается такого увеличения суточных амплитуд температуры, какое отмечается на пересушенном болоте. В то же время температура почвы на осушенных болотах под густым травостоем оказывается ниже температуры суходольных суглинистых почв на 3-6° и песчаных суходольных почв на 4-8°.

Создаваемые в процессе строительства гидроэлектростанций крупные водохранилища на реках представляют собой большие по площади, но сравнительно неглубокие водоемы. Поэтому и влияние таких водохранилищ на изменение климата аналогично влиянию мелких водоемов. Это влияние сводится, прежде всего, к уменьшению шероховатости земной поверхности и к соответствующему усилению ветра. По сравнению с открытой ровной местностью скорость ветра над водохранилищами возрастает, на несколько десятков процентов. Это возрастание наиболее велико в осеннее время, когда вода теплее воздуха и над водоемами развивается интенсивный турбулентный обмен, и сравнительно слабо выражено весной как при наличии над водоемами льда, так и сразу после вскрытия водоема, когда водоем сравнительно .холоден. В это время увеличение скорости ветра над водохранилищем, по сравнению с открытым ровным местом над сушей, почти незаметно. После создания водного бассейна суточные колебания температуры воздуха уменьшаются, увеличивается радиационный баланс (вследствие уменьшения альбедо местности), увеличивается в среднем за год испарение, которое в течение года имеет иное распределение по сравнению с сушей.

Существенно большие изменения климата побережий возникают при создании водохранилищ в условиях климата недостаточного увлажнения. Из-за большого испарения водоема по сравнению с окружающей сушей (где скорость испарения ограничена низкой влажностью почвы и откуда на прибрежные части водохранилища поступает сухой воздух) температура на берегах водохранилищ в теплое время года оказывается заметно ниже, чем в удаленных от водохранилища районах (до 2-3°). Понижение температуры воздуха днем способствует развитию довольно сильных (до 3-4 м/с) бризов, вертикальная протяженность которых составляет несколько сотен метров.

Аналогично орошению создание искусственных водохранилищ приводит к снижению альбедо системы Земля-атмосфера и, следовательно, к увеличению количества поглощенной радиации. В соответствии с этим водохранилища повышают среднюю температуру атмосферы. Это повышение, однако, меньше изменения температуры в результате орошения.