Почва — основа существования человеческой цивилизации. Эта идея занимает центральное положение в учении об экологических функциях почвы, развиваемом трудами Г. В. Добровольского, Л. О. Карпачевского, Е. Д. Никитина [59, 64, 65, 67, 68, 92-96]. Главными, наиболее быстро текущими и часто принимающими характер катастрофы факторами нарушения функций почвы в глобальном масштабе Г. В. Добровольский [65] называет водную и ветровую эрозии. Важнейшая из функций почвы, обеспечение человека пищей, в наибольшей степени нарушается именно в результате эрозии. Об этом свидетельствует динамика самого информативного показателя обеспеченности людей продовольствием — объема производства зерна на душу населения. Достигнув максимума (346 кг) в 1984 г., он снижается и, при сохранении темпов снижения, к 2030 г. опустится до 248 кг, т. е. до уровня пятидесятых годов двадцатого столетия [323]. Среди главных причин такого положения, наряду с ростом самого населения, — эрозия почвы. Механизмы ее влияния весьма многообразны. Это и снижение плодородия эродированных почв, и уменьшение площади пашни в результате образования оврагов и надвигания песков, и загрязнение почв сельскохозяйственных угодий вредными веществами, в том числе токсичными солями, приносимыми ветром с поверхности солончаков и отвалов горных пород, а также снижение фотосинтеза в результате загрязнения листовой поверхности пылью [78, 135, 137, 323].
Почва — регулятор вещественного состава атмосферы [66]. Эрозионные процессы оказывают прямое и весьма сильное влияние на эту функцию почвенного покрова планеты, в первую очередь через ускорение минерализации почвенного органического вещества, приводящее, в конечном счете, к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа и связанному с ним усилению парникового эффекта [249]. Кроме того, ветровая эрозия почвы является главной причиной наполнения воздуха пылью, причем масштабы поступления почвенной пыли столь велики, что она начинает влиять на тепловой баланс планеты [292].
Почва — основа существования наземных экосистем. Представления об ее экосистемных функциях и механизмах их реализации непрерывно расширяются. Некоторые из этих механизмов связаны с ветровой эрозией почвы. В частности, появились сведения о том, что почвенная пыль, приносимая ветрами из Сахары, является важнейшим источником существования водных экосистем Атлантического океана и тропических лесов бассейна Амазонки, куда ежегодно приносится из Сахары до 190 кг/га почвы [329], а также экосистем бассейна Средиземного моря [274].
Почва — важнейший регулятор биогенного углерода на Земле. Расчетное содержание его в метровом слое почвы составляет 2,5-1012 т, что в три раза превышает содержание в атмосфере и в 4,5 раза — в живых организмах. Эрозия приводит к его утрате почвой, во-первых, в результате механического удаления из эродируемой почвы, во-вторых, в ходе ускоренной минерализации, вызванной эрозией, как в эродированной почве, так и в наносной (табл. 1.1). Процессы, приводящие к этому, требуют углубленного изучения, но уже теперь не подлежит сомнению, что одним из немногих возможных способов изъятия избытка углерода из атмосферы является запасание его в виде специфического органического вещества почвы. Известен и метод достижения этой цели — использование почвозащитных систем земледелия [100, 102].
Почва — основа среды обитания человека и ее эрозия приводит к нарушению средообразующей функции. В частности, обыкновенная почвенная пыль, поднимаемая ветром, вызывает увеличение заболеваемости астмой [323]. При большом содержании почвенной пыли в воздухе, как это было 8-9 апреля 2001 г. в Пекине, а также 14 мая того же года в Каире, полностью парализуется жизнь огромного мегалопо-лиса. Ситуация столь серьезна, что во многих странах законодательно вводятся пределы допустимого содержания пыли в атмосфере [323]. Кроме того, пыль может служить причиной возникновения эпидемий, так как содержит повышенное количество спороносных аэробных бактерий [4]. Еще большую опасность несет радиоактивная пыль, источниками которой являются эродируемые ветром почвы загрязненных территорий [149], а также золоотвалы теплоэлектростанций, работающих на углях, содержащих радиоактивные элементы и тяжелые металлы [128, 133].
Частота и масштабы проявления ветровой эрозии почвы, которые стали глобальными, а также темпы и тенденции её распространения имеют угрожающий характер. Об этом свидетельствуют многочисленные материалы последних международных форумов ученых и общественности, организованных Докучаевским обществом почвоведов |М8, 179, 180, 245], Международным обществом почвоведов (ISSS) |3()3], Международной организацией мелиорации почв (ISCO) [331,249], Европейским обществом охраны почв (ESSC) [250], Организацией охраны почв и вод (SWCO), публикации в периодической печати [80].
Эрозии подвержены почвы на площади в 1,643 млрд. га, из них в чрезмерной степени — на площади в 250 млн. га (табл. 1.1.1). Водная эрозия распространена на площади в 1094 млн. га, а ветровая — на площади в 549 млн. га. Ареалы почв, пораженных этими двумя видами эрозии, совпадают лишь частично. Согласно прямым спектрометрическим измерениям со спутника [308], пыльные бури, как крайнее проявление ветровой эрозии почвы, возникают во всех почвенно-климатических поясах, в том числе в арктическом, но наиболее часто и устойчиво они повторяются в Северном полушарии, в так называемом пыльном поясе, протянувшемся от западных окраин Северной Африки, через Ближний и Средний Восток, Центральную и Южную Азию в Китай. Поскольку основной прирост подверженных пыльным бурям территорий приходится на малообжитые районы, появляются основания полагать, что в основе усиления ветроэрозионной деятельности лежат причины глобального характера [317], в том числе и антропогенного происхождения.
На долю эрозии приходится 83% площади территории деградированных почв [303]. В наибольшей степени эрозии подвержены почвы наиболее густонаселенных регионов земного шара. Это свидетельствует в пользу общепринятого представления о том, что в местах обитания человека эрозия имеет, в основном, антропогенный характер [249]. Особенно опасным является то, что эти же регионы являются и главными источниками продовольствия. Серьезность сложившейся ситуации подтверждается тем знаменательным фактом, что более всего эрозия почв распространена не только в самых отсталых в промышленном отношении странах, но и в самых развитых [323].
Согласно данным государственного учета [56] по состоянию на 1 января 1996 г. фактически подвержено эрозии почв 28% (51 млн. га) площади территории сельскохозяйственных угодий Российской Федерации. Кроме того, на 35% площади (66 млн. га) существует реальная опасность проявления эрозионных процессов. На площади в 35 млн. га почвы эродированы водой, а на площади 15,9 млн. га — ветром; реальная опасность проявления водной эрозии существует еще на 29,6 млн. га, а ветровой — на 45 млн. га. Причем в таких важнейших в отношении устойчивого производства зерна регионах, как Поволжский и Северо-Кавказский, к категории эродированных и опасных в отношении эрозии относится до 90% площади сельскохозяйственных угодий.
Глобальные масштабы проявления ветровой эрозии почвенного покрова Земли и наметившаяся тенденция к её усилению ставят задачу изучения ветровой эрозии в ряд приоритетных направлений почвоведения [6, 135, 229, 246, 281]. Некоторые из научных проблем ветровой эрозии почвы являются одновременно предметом перечисляемых ниже фундаментальных и прикладных наук, а также задачами практики.
В механике: закономерности отрыва, переноса и отложения в виде наносов твердых частиц потоками жидкости и газа [160, 162, 189, 222, 316, 330].
В биологии: влияние засекания почвенными частицами, переносимыми ветром, на рост и развитие растений; зависимость интенсивности фотосинтеза от степения запыления листовой поверхности [214, 217]; механизмы распространения семян и живых организмов воздушным путем [26, 27, 140, 3J 3J механизмы межконтинентального переноса бактерий и грибов [269].
В экологии: механизмы подъема и переноса по воздуху радионуклидов и других загрязняющих веществ с почвенной пылью; закономерности формирования их природных и антропогенных ареалов [169, 121, 122, 262, 334].
В эпидемиологии; механизмы переноса возбудителей болезней и загрязняющих веществ с почвенной и промышленной пылью [25, 122, 315].
В геологии: механизмы и природная обстановка формирования древних осадочных отложений, в особенности залежей полезных ископаемых, под действием ветра [131, 183, 228, 258].
В вулканологии: механизмы переноса и отложения вулканической пыли ветром [131].
В грунтоведении: механизмы разрушения и методы закрепления фундаментов и опор инженерных сооружений в подвижных эоловых песках [140].
В горном деле: механизмы подъема пыли в горных выработках и с поверхности хвостохранилищ горно-обогатительных комбинатов, отвалов шахт и карьеров и методы обеспыливания [264]. В планетологии, геоморфологии: закономерности формирования рельефа под действием ветра на Земле [200] и других планетах солнечной системы [123, 247, 303].
В климатологии: восстановление палеоклиматов и тарирование климатологических моделей на основе исследования закономерностей эолового осадконакопления в прошлом [54, 276, 277] и настоящем [313].
В физике атмосферы: влияние почвенной пыли, поднимаемой ветром, на динамику и вещественный состав атмосферы [195, 223, 231].
В космонавтике: прогнозирование пыльных бурь на планетах солнечной системы для целей обеспечения безопасности поднимаемых и спускаемых аппаратов [224, 265].
В наземном транспорте: защита транспортных систем от песчаных заносов, выдувания и снижения дальности видимости на автодорогах [83, 89].
В воздушном транспорте: снижение пылимости грунтов взлётно-посадочных полос и рулёжных дорожек аэродромов и почв прилегающих территорий [194].
В микроэлектронике: обеспыливание поверхности воздушным потоком и ударной волной [320].
В энергетике: исследование механизмов переноса тонкодисперсных частиц газовым потоком в целях повышения безопасности реакторов [220], обеспыливание золо — и шлакохранилищ [133].
Для решения перечисленных проблем необходима такая теория ветровой эрозии почвы, которая давала бы качественное описание механизмов явления и позволяла перейти к количественным расчетам (прогнозированию). С использованием существующих моделей выдувания [1, 21, 37, 70, 76, 89, 90, 129, 202, 240] в каждом отдельном случае удается путем подбора эмпирических коэффициентов добиться отличного соответствия предсказанных потерь наблюдаемым в опыте, но обобщение этих моделей затруднено и приводит к усложнению решений. В связи с этим построение теории неоходимо начать с совершенствования структуры уравнения выдувания.
Другая трудность связана с необходимостью выявления и учета степени влияния длины эродируемого участка на баланс эрозии. Известные решения этой задачи сводятся к обобщению опытных данных на основе идеи Бэгнолда [219] о существовании предела роста интенсивности переноса почвы ветром с расстоянием. В частности, в так называемом американском уравнении ветровой эрозии почвы влияние длины учитывается на основе именно этой идеи и реализуется с использованием графоаналитического метода [337], суть которого описана в [111]. Этот подход в том или ином варианте применяется в большинстве известных моделей ветровой эрозии почвы [115, 127, 203]. Разработанный путем обобщения натурных наблюдений, он неявно зависит от технологий сельскохозяйственного производства в регионе исследования, т. е. на равнинах Северной Америки, и по причине распространения новых технологий он исчерпал себя. На смену ему разрабатывается новая методика [254], также не выходящая за рамки эмпирического обобщения [326] и по этой причине ограниченная в применении. Имея в виду создание теории ветровой эрозии, необходимо решить проблему влияния длины пылесборной площади в рамках законов механики. С этой целью в работе исследованы механизмы отрыва, подъема, переноса и ударного взаимодействия индивидуальной почвенной частицы с подстилающей поверхностью, а полученные результаты обобщены на самопроизвольно возникающий поток таких частиц. При этом установлены механизмы лавинного эффекта нарастания массопереноса и абразии почвенной поверхности в зависимости от длины эродируемого участка.
Важнейшим направлением исследований является изучение механизмов переноса, преобразования и отложения почвенной пыли ветром с образованием наносных почв. Трансграничный перенос поднятой ветром почвенной пыли, как и перенос аэрозолей промышленного происхождения, за неимением другого, более обоснованного решения, моделируют на основе уравнений диффузии [9, 341], а интенсивность источника почвенной пыли оценивают на основе уравнений выдувания и связанных с ними уравнений переноса в приземном слое, причем вопрос о доле потока массы, уносимой безвозвратно относительно источника, решается достаточно произвольно, на основе эмпирических соотношений [255, 256, 292, 293]. В связи с этим возникает необходимость выявления структуры всего воздушно-почвенного потока, начиная с области его формирования (в зоне выдувания) и заканчива-ния областями переноса и отложения почвенной фазы ветром, в зоне аккумуляции.
Все основные характеристики ветровой эрозии, в том числе структура воздушно-почвенного потока, структура и объем потерь почвы, характер эоловых отложений, при прочих равных условиях определяются свойствами эродируемой почвы [43], поэтому в основе большинства противоэрозионных мероприятий лежит идея воздействия на почву с целью повышения ее устойчивости к выдуванию. Сравнение эффективности отдельных противоэрозионных мероприятий, оцениваемых опытным путем, производится на основе эмпирических соотношений. Переход к использованию межагрегатного сцепления в качестве одного из показателей состояния поверхностного слоя почвы повышает надёжность предварительной оценки эффективности разных противоэрозионных мероприятий и обеспечивает полезным инструментом исследования механизмов, лежащих в основе противоэрозионных мероприятий.
Отмечая достижения в решении проблем теории ветровой эрозии почвы, необходимо указать на главное, что мешает дальнейшему продвижению в их решении, — это использование единого механизма при исследовании разномасштабных природных явлений, из которых складывается ветровая эрозия почвы, и последующее навязывание его при объяснении опытных данных. Но явления «микромира» не тождественны явлениям «макромира», поэтому при описании разномасштабных процессов надо применять методы, адекватные их масштабу. Для описания процессов отрыва, переноса, преобразования и отложения почвенных частиц воздушными потоками вполне пригодны методы механики многофазных сред [132, 164]. По этой причине математическая постановка задач осуществлялась при некоторых ограничениях, упрощающих решения, но не меняющих их качественно. Данные ограничения сохраняются во всех главах книги, хотя сами решения указывают на необходимость учета изменения тех или иных параметров, которые считались постоянными величинами. Это обстоятельство указывает на возможность развития теории путем ее уточнения или даже на основе отказа от принятых предположений относительно указанных параметров, что, впрочем, выходит за рамки данной работы. Создаваемая теория при появлении новых условий и решений позволяет их учитывать, что прослеживается в данной работе. Наличие теории обеспечит предпосылки для решения других актуальных задач — создания научных основ прогнозирования и предупреждения эрозии на почвах разного происхождения в разнообразных условиях их хозяйственого использования, а также решения проблем происхождения и эволюции эротогенных почв, в том числе засоляющихся воздушным путем; создания научных основ прогнозирования и предупреждения загрязнения воздуха почвенными частицами и тонкодисперсными продуктами и отходами промышленности с неорганизованных мест их производства и размещения.
Таким образом, учитывая отсутствие теории полномасштабного явления ветровой эрозии почвы и потребность в ней науки и практики, была сформулирована основная цель работы — создание в рамках законов механики многофазных сред теории ветровой эрозии почвы и разработка основ количественных методов прогнозирования эрозии и расчета противоэрозионных мероприятий.