Создание физически содержательной теории ветровой эрозии почвы начато с обобщения известных экспериментальных материалов и воспроизведения на этой основе качественной картины явления, что позволило уточнить предмет исследования при построении количественной теории. При этом выявлены его особенности как объекта механики многофазных сред, не позволяющие вести исследования в макромасштабе и вынуждающие поэтому ввести мезомасштаб. Задача перемещения почвенных частиц в атмосфере сведена к анализу движения сферического тела известного радиуса и плотности в поле тяготения под действием сил со стороны воздуха. На основании этого анализа составлены уравнения движения частиц почвы в продольной и вертикальной координатах, которые решаются в последующих главах, а полученные для отдельных частиц решения обобщаются на потоки массы взаимопроникающих многоскоростных континуумов. Описаны применявшиеся при этом теоретические и экспериментальные методы и полученные результаты.
Под эрозией почвы в настоящее время понимают совокупность взаимосвязанных процессов отрыва, переноса и отложения почвы (иногда материнской и подстилающей пород) поверхностным стоком временных водных потоков и ветром [41, 111]. Явление ветровой эрозии почвы зарождается на границе твердой и газообразной сред (почвы и воздуха), развивается в прилегающем к Земле слое атмосферы и завершается на земной поверхности, водной или почвенной. Несмотря на изменчивость состава и свойств, атмосфера характеризуется хорошо выраженной структурированностью. Основным элементом ее структуры можно считать вихрь [74, 168, 195]. Вихри могут быть замкнутыми (тороидальными) и открытыми с торцов в поток [131, 142]. Они формируют непрерывный спектр атмосферных образований, от микроскопических завихрений, соизмеримых с размерами молекул, до гигантских систем, именуемых циклонами и антициклонами, соизмеримых с целыми континентами (рис. 2.1.1).
В этом спектре привлекают внимание своей силой ураганы, бури, тайфуны, имеющие масштабы порядка сотен километров (рис. 2.1.2). В районе, непосредственно примыкающем к «глазу» урагана, скорость ветра нередко превышает 200 км/ч.
Практически безопасными в отношении эрозии, но очень показательными в иллюстрации единства законов, управляющих движением потоков разного масштаба, являются вихри, возникающие при обтекании сравнительно спокойным потоком высоких препятствий, таких как горные хребты или одиночные горы. В некоторых случаях такие вихри, имеющие вертикальную ось, формируют серии, называемые «дорожками» Кармана (рис. 2.1.3).
Большой разрушительной силой и частотой характеризуются смерчи и тромбы, в Америке именуемые «торнадо». Они имеют размер порядка сотен метров (рис. 2.1.4).
Эти вихри возникают в сравнительно спокойном окружающем воздухе. Но даже такой воздух в свою очередь состоит из вихрей, которые образуют непрерывный спектр по размерам и частоте прохождения [9, 10, 74, 120, 195]. Вихревая природа ветра хорошо проявляется при наличии пыли или дыма в воздухе (рис. 2.1.6).
В зависимости от практических или теоретических задач в приземной области атмосферы выделяют более или менее однородные слои. Нижний слой атмосферы толщиной 10-17 км называют тропосферой. В нем формируются основные процессы, определяющие погоду, в том числе и эрозионноопасную. Слой толщиной 1-1,5 км, в котором на движение воздуха оказывает заметное влияние трение, называют планетарным пограничным слоем.
Воздух находится в постоянном, чрезвычайно сложном и изменчивом движении, горизонтальная составляющая которого называется ветром. Ветер характеризуют направление, продолжительность, порывистость и скорость. Скорость ветра изменяется по высоте и с приближением к поверхности, как правило, убывает. Степень убывания зависит от многих обстоятельств, в первую очередь от шероховатости земной поверхности и погоды [195].
Относительно тонкий слой воздуха, непосредственно прилегающий к земной поверхности, в котором, собственно, и происходит падение скорости до нуля, называют пограничным слоем. Впервые на его существование указал Д. И. Менделеев в 1880 г., а математическую теорию дал Л. Прандтль [116]. В пределах пограничного слоя скорость ветра возрастает очень быстро, пропорционально логарифму высоты, а за его пределами — очень медленно, так что в первом приближении ее можно принять постоянной и тем самым значительно упростить математическое описание явления в целом [74, 164]. Доказано, что поток можно считать квазиоднородным, даже при наличии на земной поверхности одиночных выступов, поскольку степень отклонения скорости от невозмущенного значения обратно пропорциональна квадрату высоты [5].
Площадь территории, охваченной пыльной бурей, определяется типом погоды [86, 131]. Наибольшим пространственным размахом отличаются пыльные бури в так называемой штормовой зоне, которая часто возникает на южной или юго-западной периферии антициклона, а также между антициклоном и углубляющимся циклоном (рис. 2.1.7).
Значительного размаха достигают пыльные бури, связанные с движением холодных атмосферных фронтов (рис. 2.1.8). Наименьшей площадью проявления характеризуются пыльные бури, связанные с так называемыми местными ветрами, бризами, горно-долинными и им подобными ветрами [86, 131].
Продолжительность ветра сравнительно постоянной скорости также определяется типом погоды. Поскольку при изменении погоды скорость ветра меняется, отдельное явление при математическом его описании разбивают на квазистационарные промежутки. При этом особого рассмотрения требуют локальные проявления ветровой эрозии почвы, связанные с прохождением индивидуальных вихрей, таких как тромбы (континентальные аналоги смерчей) и пыльные вихри (рис. 2.1.4, 2.1.5). Эта проблема выходит за рамки работы, поскольку она связана с исследованием структуры самого вихря [287, 310].
В данной работе исследуется явление ветровой эрозии, вызванное обычным ветром (рис. 2.1.6), т. е. сравнительно однородным вихревым потоком, средняя скорость которого слабо зависит от высоты в основной его толще, но быстро убывает с высотой в приземной его части, пограничном слое. Вследствие неустойчивого состояния воздуха в приземном слое, вызванного как динамическими, так и термическими причинами, в нем непрерывно, с определенной периодичностью зарождаются крупные вихри, которые, будучи неустойчивыми, распадаются, порождая более мелкие вихри. Эти более мелкие вихри также распадаются и, в свою очередь, порождают еще более мелкие вихри и так далее, вплоть до вихрей молекулярного размера. Вместе с этим у земной поверхности, в области больших градиентов осредненных скоростей, даже над идеально гладкой искусственной поверхностью в изотермических условиях формируются вихри малых масштабов, которые, поднимаясь в поток, увеличиваются в размерах (рис. 2.1 9). Таким образом, в потоке наблюдается непрерывное движение, формирование, преобразование и распад вихрей разного размера и формы [9, 10, 55, 76, 79, 120, 142, 195].
Для того чтобы ветровая эрозия почвы началась, необходимо, чтобы скорость ветра превысила некоторую величину, называемую критической [39, 125, 137, 165, 178]. После этого почвенные частицы начинают двигаться. Они совершают колебательные движения, перекатываются или скользят по поверхности, совершают скачки или переносятся ветром в подвешенном состоянии [69, 178, 240]. При этом формируется воздушно-почвенный поток переменного состава, структуры и размеров. Некоторые его компоненты (скачущие частицы) взаимодействуют с поверхностью, что сопровождается их истиранием и обтачиванием (абразией) поверхности [131].
Количество почвы, переносимой ветром, зависит от его скорости: чем она больше, тем больше массоперенос [69, 219]. При постоянной скорости ветра массоперенос определяется длиной пылесборной площади и эродируемостью почвы: чем больше эродируемость, тем больше массоперенос [240]. При одинаковой эродируемости массоперенос зависит от степени защищенности почвы растительностью [23, 24, 30, 77, 81, 99, 100, 105, 147]. По имеющимся в литературе данным суммарный перенос почвы [кг/м/с] ветром постоянной скорости над однородной по эродируемости поверхностью возрастает с расстоянием, достигая максимума на некотором удалении от края, а затем несколько снижается [69, 84, 240]. Однако обоснованность такого вывода, целиком основанного на экспериментальных данных, полученных с использованием пылеуловителей, нуждается в проверке. Из обобщения материалов наблюдений над ветровой эрозией [19, 76, 77, 99, 154, 209] следует, что в каждом ее явлении можно обнаружить
Зону выдувания;
Зону переноса почвенных частиц, засекания посевов и абразии почвы;
Зону аккумуляции наноса.
Соотношение размеров этих зон и их взаимное расположение подчиняются сложной зависимости от факторов ветровой эрозии — погодных, почвенных, литологических, топографических, биологических и других. Зачастую зона аккумуляции удалена от зоны выдувания на тысячи километров и отделена от других зон морями и океанами [274, 333]. Интенсивность выпадения пыли при этом может достигать значительных величин, порядка 2,5-28,6 т/км2/сут [294], а количество достигает 161-266 т/км2 за одну пыльную бурю [263].
При прочих равных условиях интенсивность ветровой эрозии определяется рельефом. Как правило, в наибольшей степени ей подвержены почвы выпуклых, выступающих форм рельефа, таких как вершины холмов и гряд возвышенностей, бровки увалов, балок, оврагов и речных долин. А для пониженных, вогнутых элементов рельефа, таких как западины, лощины, балки, овраги, речные долины и подветренные участки склонов, более характерно не выдувание почвы, а ее отложение в виде эолового наноса [29, 77, 84, 154, 285]. Однако в силу многофакторности и географической разномасштабности явления такая зависимость, в значительной степени формальная, может нарушаться. Например, на огромных равнинных пространствах Центральной [200] и Средней Азии [101] наибольшая интенсивность ветровой эрозии характерна как раз для впадин, таких как Аральская, Сарыкамышская, Карашор.
В самом общем случае ветровой эрозии на равнине суммарная потеря почвы, как правило, уменьшается с уменьшением длины эродируемого поля (длины пылесборной территории) [20, 77, 147, 239, 240]. Но степень уменьшения потери с уменьшением длины находится в сложной зависимости от скорости ветра и эродируемости почвы, определяемой ее свойствами. Свойства почвы оказывают решающее влияние на суммарную потерю массы и размеры и взаимное расположение формирующихся зон ветровой эрозии. Тяжелым по гранулометрическому составу почвам свойственно равномерное по площади выдувание и близкое к типичному, описанному выше, закономерное сочетание зон эрозии, тогда как песчаным и супесчаным почвам — неравномерное, сопровождаемое образованием выдувов и соседствующих с ними бугров наноса [28, 126, 196].
На основе изложенных качественных представлений о ветровой эрозии почвы, основанных на результатах наблюдений [19-21, 69, 77,90, 154, 158, 196, 198, 200, 209], в дальнейшем строится количественная теория в рамках законов механики.