Землепользование и изменение климата в США

    Практически при операциях концентрация пыли превышает ПДК. Концентрация оксида углерода также во многих случаях  превышает предельно допустимую.

    Солнечная радиация является важным климатообразующим фактором. В образовании микроклимата карьеров ее роль возрастает, так как карьеры благодаря особенностям своего рельефа образуют дополнительные поверхности с различной экспозицией для облучения солнечной радиацией.

    В силу многократного рассеяния и отражения рассеянная и отраженная радиация в карьере мало меняется по величине с увеличением глубины по сравнению с поверхностями вне карьера. Все различия в приходе радиации существенны лишь для прямой радиации, которая вносит свой вклад в радиационный поток тепла, поступающий к поверхностям карьера.

    Рост  глубины карьера влечет за собой  увеличение его общей поверхности  при том же размере в плане, и, как следствие этого, средний  приток тепла к единице поверхности  сокращается. То есть, при увеличении глубины карьера увеличивается площадь затенения. Разница в продолжительности освещения солнцем верхних и нижних уступов карьеров, расположенных в средних и высоких широтах северного полушария, составляет в теплый период года 4-6 часов, а зимой из-за низкого положения солнца солнечные лучи в ряде случаев вообще не попадают в нижнюю часть карьера. Кроме изменения притока тепла по глубине, его распределение крайне неравномерно по различным бортам вследствие их разной ориентации по сторонам света.

    Распределение тепловой энергии по карьеру обуславливается распределение температур горных пород; разница между температурами достигает 15 – 20⁰ С для различно ориентированных бортов и 8 – 10⁰ С в пределах одного борта. В результате этого неизбежно возникают местные потоки воздуха определенной скорости и направления, которые накладываются на действующие в карьере поверхностные воздушные потоки.

    В карьерах вследствие большой теплопроводности и теплоемкости обнаженных горных пород  в дневное время склоны могут  быть холоднее подстилающей поверхности в сельских местностях. Эти термические особенности создают в карьерах более медленное охлаждение склонов после захода солнца и замедленный нагрев их после восхода. Большая поглощательная способность обнаженных пород и всего карьера в целом также способствуют аккумуляции больших количеств солнечной энергии в почве.

    Аккумуляция тепла склонами карьера в днем в ночное время, особенно на крутых склонах, может вызвать интенсивное  длинноволновое излучение, которым  обмениваются обращенные друг к другу склоны, и прогрев стекающего воздуха.

    Нагрев  склонов карьера при одинаковых синоптических условиях должен вызвать  в летний и осенний периоды  меньшую вероятность образования  инверсий в карьерах, а также их более позднее развитие вечером  и разрушение утром по сравнению с формированием инверсий в окружающем карьер районе. Внутри карьера вероятность образования инверсий будет больше зимой и особенно весной, когда обнаженные склоны выхоложены на значительную глубину.

    В каждом глубоком карьере при слабых скоростях ветра имеются участки с застоем воздуха, где часто могут развиваться очаги инверсий; это обстоятельство является одним из отличий в развитии внутрикарьерных инверсий.

     Вследствие различной продолжительности  облученности склонов карьера на различных уровнях и разной ориентировки создаются значительные контрасты в распределении величины теплового баланса и его отдельных составляющих. Очевидно, что нижние горизонты карьера характеризуются дефицитом тепла по сравнению с сельской местностью, а верхние, особенно обращенные к солнцу, - избытком. Затраты тепла на испарение в карьерах уменьшается по сравнению с сельской местностью из-за снижения скорости ветра особенно на нижних уровнях карьера. Что касается альбедо, то обнаженные горные породы, как правило, имеют значительно меньшие его значения по сравнению с покрытой растительностью почвой.

    Особенности формирования внутрикарьерных инверсий тесно связаны с термическим  режимом горных пород карьера. Весной горные породы карьера, особенно в нижней его части, значительно холоднее почвы окружающих карьер районов, и поэтому инверсии в карьере сохраняются значительно дольше, чем над ровной поверхностью.  

    Рис.9 Распределение температуры воздуха  в утренние часы над карьером (1) и над окружающей местностью (2) 

    Кроме радиационных инверсий для карьеров также характерны адвективные инверсии, образующиеся при перемещении теплых масс воздуха над охлажденной  поверхностью. В районах с продолжительным  залеганием снежного покрова весной наблюдаются так называемые снежные инверсии, связанные с охлаждением воздуха в результате потерь тепла на таяние снега.

     В карьерах из-за отсутствия растительности (а, следовательно, из-за отсутствия транспирации) и большой площади вскрытых горных пород ( что уменьшает альбедо) возрастает поток явного тепла в атмосферу. Поэтому  на территории, окружающей карьер и над ним самим в теплый период года в ясные дни температура несколько выше, чем над сельской местностью в данном районе. Данное явление в США наиболее ярко и масштабно прослеживается на востоке страны, где располагаются наиболее крупные угольные бассейны – Иллинойский и Аппалачский, а также крупные месторождения железной руды в Приозерном районе. 

    Рис.10. Крупные угольные бассейны и месторождения железной руды в США, разрабатываемые карьерным способом. (Максаковский, 2005) 
 
 
 
 
 
 

Сведение  лесов

    То, что в лесу создается особый микроклимат, влияющий на смежные территории, доказано давно. Еще в1936 году советским ученым В.А. Бодровым были проведены исследования в области микроклиматологии на тему -  изменения микроклимата степной территории под влиянием лесных полос. В ходе исследований выяснилось:

1. Влияние лесных полос на температуру прилегающих к ним территорий зависит от времени суток и от погоды. Летом влияние тем резче, чем жарче и суше погода, чем выше солнечная радиация и чем больше суточное колебание температуры.
2. Под пологом леса температура воздуха на высоте 2 метра всегда на несколько градусов ниже, чем на окружающей лес территории.
3. В сухую и жаркую погоду в дневные часы влажность воздуха повышается на территории, защищенной лесными полосами. Увеличение относительной и абсолютной влажности воздуха может достигать 30 и более процентов и ощущаться на расстоянии 500-600 м от лесной полосы.
4. В дневные часы, когда баланс тепла на поверхности почвы близок к равновесию, решающая роль в формировании микроклимата переходит к ветру. Из-за уменьшения под влиянием лесных полос силы ветра внизу больше задерживается воздуха, увлажненного транспирацией, что благотворно влияет на полевой ландшафт в целом.
5. Под влиянием лесных полос увеличивается турбулентность и образуются новые завихрения воздушного потока. Меняются как горизонтальные, так и вертикальные слагающие ветра. И чем выше скорость ветра в степи, тем сильнее эти изменения. Изменения в ветровом режиме в лесных полосах влекут за собой изменения влажности и температуры воздуха, а также объема и интенсивности испарения.

    Теперь  перейдем к характеристики климатических  показателей уже не на территории, занятой лесными полосами, а крупными лесными массивами. В сомкнутых лесах жаркого пояса до поверхности почвы доходит, лишь 1 % солнечной радиации, остальные 99% поглощаются листовыми пластинами, а также корой деревьев и кустарников и используются для фотосинтеза и транспирации с поверхности этих растений.  Поэтому максимумы температуры на поверхности почвы могут быть на 20-28⁰ С ниже, чем вне леса. (Куракова, 1976). Указанное выше снижение температуры приземного воздуха в лесах – следствие поддержания этим типом растительного сообщества высокой динамичности гидрологического цикла. Характерное время возвращения влаги в атмосферу при транспирации и испарении осадков, перехваченных пологом леса, составляет несколько часов в жаркий период года. При испарении поглощается огромное количества тепла, тем самым оно переводится в скрытой форме далеко вверх тропосферы. При вырубке лесов, а также при их дефрагментации  происходит увеличение температуры, что обусловлено повышением альбедо поверхности, уменьшением влажности почвы и уменьшением тепла, требуемого для транспирации. При замене лесных земель на луга и сельскохозяйственные угодья снижение потока скрытого тепла оценено как трехкратное и двукратное соответственно (Горшков,2007). А прирост потока явного тепла в пределах открытого ландшафта типа саванны из-за сведения влажно тропического леса составляет 20-30 Вт/м² по данным М.И. Будыко, а в случаи образования неполивных сельскохозяйственных угодий соотношение оказывается еще больше.

    Интересно, что влияние землепользования в целом и облесения в частности проявляется больше в морском секторе климата. Исследования, выявившие данную закономерность, проводились в тропическом, субтропическом и умеренном климате на территории США, а также на территории Поэрто-Рико. Ученые объясняют данный феномен тем, что процессы переноса солнечной радиации и влаги ускоренны под действием местной бризовой  циркуляции по сравнению с более медленной конвективной циркуляцией в континентальном секторе климата. Под воздействием облесения изменяется интенсивность бризовой циркуляции, и чем больше она изменяется, тем сильнее будут прослеживаться последствия землепользования на данной территории.   При помощи многолетних наблюдений со спутников Земли выявлено, что около 40% всего явного тепла производится на небольших тропических островах в морском секторе климата, тем временем как на континентальные зоны материков приходится лишь 20%. (Van der Molen, Dolman, Waterloo, Bruijnzeel, 2006)

    Проблема  сведения лесов особенно актуальна  в США, так как их площадь здесь сократилась за последние 200 лет примерно в 1,5 раза. Еще во времена Европейских переселенцев леса покрывали примерно половину нынешних 48 континентальных штатов США. Крупнейшие лесные массивы находились в западной части страны, и большая их часть уже была заметно изменена местными жителями – индейцами.

      Территория, занимаемая лесами начала  сокращаться  с началом колонизации  континента. Леса в основном вырубались  для высвобождения территории  под сельскохозяйственные нужды,  а также ради самой древесины. Площадь, занимаемая лесами, сократилась от 360 миллионов га в 1850 году, до 240 млн. га в 1920 г. Затем, в послевоенные годы площадь лесов несколько выросла, в основном из-за уменьшения площадей земель под сельскохозяйственными культурами. Но с 1960 гг. площадь лесов снова стала сокращаться и сейчас достигает размера в 298,8 млн. га, из которых примерно 200,4 млн. га приходится на леса первой категории, не подлежащих вырубке. (Lubowski, Vesterby, Baez, Roberts, Bucholtz, 2002).

    Факты свидетельствуют о том, что потеря лесов ведет к ослаблению потока скрытого тепла из приземного слоя воздуха, при этом возрастает поток явного тепла. В районах с положительными среднегодовыми температурами (а в США такие районы занимают большую часть территории страны) облесение должно быть значимым фактором их повышения. По данным американских климатологов сведение лесов ответственно за увеличение температуры на территории страны примерно на 0.5 ⁰ – 1⁰С. Итак, увеличение нагрева деятельной поверхности, лишенной растительного покрова,  увеличение приземных температур, уменьшение относительной влажности, что влечет за собой повышение уровня конденсации и уменьшение осадков -  таковы последствия сведения лесов, проявляющиеся как в микроклимате, так и в глобальном изменении климатических показателей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Осушение  болот

    Согласно  последним данным, около 53% болот  и затопленных прибрежных территорий были осушены в США в сельскохозяйственных целях за последние 200 лет. Только между 1950 и 1970 годами было потеряно около 4,4 млн. га.(Lubowski, Vesterby, Baez, Roberts, Bucholtz, 2002). В этой главе хочется рассмотреть последствия таких изменений. И хотя они не имеют таких глобальных последствий как, например, увеличение площадей городов или сведение лесов, но все же вносят свой вклад в общее изменение климата.

    При осушение болот, а также торфяно-болотных почв формируется новая морфологическая  единица ландшафта, которая определяет изменения микроклимата прилегающих  территорий.

    Для болот характерно близкое к поверхности залегание грунтовых вод. Пока болото не осушено, грунтовые воды большую часть года находятся выше поверхности и опускаются только на короткие периоды, в основном в засушливые годы. Именно понижение уровня грунтовых вод, достигаемое различными гидротехническими мероприятиями, изменяет облик ландшафта и его климатические показатели (в первую очередь влажность и температуру).Изменяется также физическая структура почв, что влияет на почво-грунтовый тепло- и влагообмен. Неосушенные болота более инертны к отдаче тепла, поэтому в глубинных слоях они теплее, чем освоенные. На глубине более 40 см они теплее во все сезоны, а на глубинах менее 30 см, теплее зимой и холоднее летом. В условиях одинаковой с неосушенным болотом влажности и плотности торфа освоенные болота при малой плотности и влажности верхних слоев почвы характеризуются большей теплопроводностью и температуропроводностью. По мере увеличения плотности и влажности, характеристики освоенных болот становятся меньше, чем неосушенных, что обуславливает снижение температуры почвы и большую инертность к изменениям.

    Что касается эффективного излучения (излучение  земной поверхности минус противоизлучение атмосферы), которое определяется температурой почвы, температурой и влажностью воздуха, то на неосвоенном (но осушенном) болоте, с более высокой температурой почвы и большей увлажненностью, эффективное излучение больше, чем на освоенном. А на болоте неосушенном, где уровень грунтовых вод вровень с поверхностью эффективное излучение меньше, из-за повышенной водности.

    При интенсивном использовании торфяных почв под посевы культур наблюдается  увеличение альбедо и уменьшение радиационного баланса после  освоения болот. Но пока  осушаемые  болота интенсивно не используются как  сельскохозяйственные угодья, радиационный баланс на них еще меньший, чем на освоенных болотах, вследствие большего эффективного излучения.