Предпосылки построения полномасштабной модели ветровой эрозии почвы

Рубрики: Рефераты

Г. В. Добровольский, выделяя среди глобальных функций почвенного покрова группу связанных с атмосферой [66], указывает на необходимость исследования регулирующего влияния почвы на вещественный состав атмосферы. Применительно к ветровой эрозии почвы это означает необходимость количественной оценки потоков массы, направленных в атмосферу в виде почвенных частиц разной крупности. Модели их поступления в атмосферу, применяемые с этой целью, имеют преимущественно эмпирический характер [244, 255, 292, 293, 334], а модели переноса строятся в рамках предположений о диффузии примесей (более тяжелых, чем воздух) в атмосфере [10, 333]. По этой причине задача создания полномасштабной, физически содержательной теории ветровой эрозии почвы представляется актуальной и своевременной. Разрабатываемая концепция ветровой эрозии почвы, которая основана на анализе вызывающих ее сил, позволяет теоретически решить задачи поступления почвенных частиц в атмосферу, переноса их по воздуху и возврата назад, на земную поверхность, в рамках законов механики и общепринятых представлений о строении атмосферы. Такие явления, как тромбы, атмосферные осадки, электрические явления, которые могут оказывать влияние на все стадии ветровой эрозии, в данной теории не рассматриваются. Согласно развиваемой в данной работе концепции подъемная сила, имеющая вихревую природу, возникает независимо от почвенных частиц. Способность же отрывать почвенные частицы от поверхности признается только за теми из бесчисленного множества вихрей, составляющих поток, что имеют вертикально ориентированную ось и касаются торцом поверхности, подобно тромбу (смерчу), но малых размеров. Масштабы этих вихрей соизмеримы с масштабами выступов на поверхности почвы. Дальнейший перенос осуществляется вихрями любого масштаба, так как вдали от твердой поверхности частицы могут быть захвачены вихрем и через боковую поверхность, как это было доказано Жуковским [79], что обеспечивает возможность перехода частицы от одного вихря к другому и, следовательно, переноса их на большие расстояния.

Таким образом, используется общепринятое представление о том, что турбулентный поток состоит из вихрей различного размера и времени жизни, возникающих при взаимодействии потока с шероховатой поверхностью почвы, а также при взаимодействии вихрей между собой. Вихри эти перемещаются из области своего преимущественного возникновения, т. е. из слоя шероховатости, в основной поток по законам баротропной диффузии вперед и вверх [9, 10, 14, 74, 76, 79, 120, 131, 164, 168]. Часть из них захватывает и переносит почвенные частицы. Эти направленные вверх массы воздуха в виде более энергичных вихрей вытесняют вниз эквивалентные массы воздуха в виде менее энергичных вихрей. Речь идет не о сплошном, направленном вверх потоке воздуха, несущего почвенные частицы, а о взаимопроникающих потоках «энергичных» вихрей, перемещающихся вдоль среднего потока и поперек него вверх, и «неэнергичных» вихрей, перемещающихся вдоль среднего потока и поперек него вниз. При этом скорость ветра принимается постоянной по высоте. Механизмом, компенсирующим вертикальные потоки масс воздуха, служит сам трехмерный механизм ветра, который, по сути, есть движение воздуха под действием градиента давления, направленное на уничтожение этого градиента.

Предложенная трактовка подъемной силы позволяет объяснить многие явления, такие как скачкообразное движение почвенных частиц (сальтацию), их выдувание из-под мульчирующего покрова, их подъем на большую высоту и другие. Количественно она выражается уравнением подъемной силы Жуковского (3.1.1), в качестве аргументов которого выступают коэффициент подъемной силы, плотность воздуха и скорость ветра. Таким образом, вихревая природа подъемной силы учитывается коэффициентом подъемной силы, что сильно упрощает анализ явления.

Полученная в гл.5 модель ветровой эрозии почвы по существу является моделью полномасштабного явления ветровой эрозии, которая адекватно описывает все стадии явления, за исключением стадии переноса и аккумуляции мелких частиц, уносимых безвозвратно относительно источника. Действительно, согласно полученному решению они движутся вдоль восходящих траекторий, в пределе стремящихся к прямолинейным, откуда следует, что они должны подниматься бесконечно, что противоречит опыту. Причиной, предопределившей полученное решение, является принятие плотности воздуха и ускорения свободного падения постоянными, хотя в действительности они таковыми не являются. Поэтому область применения полученных решений ограничивается областью постоянства указанных величин. Масштабы этой области, охватывающей приземный слой воздуха толщиной порядка сотен метров, вполне достаточны для решения большинства задач, связанных с прогнозированием и предупреждением эрозии. Однако задача изучения полномасштабного явления приводит к необходимости учета изменчивости плотности воздуха и ускорения свободного падения с высотой.

Влияние ускорения свободного падения на плотность и давление с увеличением высоты становится все более существенным. Однако практически значимое изменение ускорения свободного падения G Наблюдается лишь при больших, порядка сотен километров, перепадах высот [195], поэтому в нашем случае — значительно меньших высот и, соответственно, меньших перепадов — его можно считать постоянным. В связи с этим используется простейшее представление об атмосфере как идеальном газе в поле силы тяжести Земли, которое характеризуется закономерно изменяющимися с высотой плотностью рв. давлением Р И температурой Т При постоянстве скорости ветра Ue, Касательного напряжения г и универсальной газовой постоянной R, Что обеспечивает изменение подъемной силы и соответствующее структурирование воздушно-почвенного потока по высоте [74, 164, 168, 195].

Теория отрыва, переноса и отложения почвенных частиц турбулентным воздушным потоком излагается применительно к потоку, имеющему бесконечную толщину, убывающую по высоте плотность и постоянную по высоте скорость. Скорость ветра выбирается таким образом, что на отрезке от начала эродируемой поверхности до ее конца она постоянна, а затем убывает по заданному закону вдоль потока, оставаясь в каждом пункте постоянной по высоте. При этом используется приземная скорость ветра, сведения о которой обычно поставляются метеорологическими станциями и содержатся в метеорологических справочниках.

В данной работе задачи моделирования движения собственно атмосферы не ставятся и не исследуются. Использование представления о постоянстве скорости ветра по высоте является вынужденной мерой, облегчающей получение решения, но никак не ограничивающей применение полученных результатов. Действительно, любой профиль скорости ветра можно разбить на отрезки с равными скоростями и решать задачу послойно.

При апробации модели используются общедоступные (через Интернет) данные о полях метеорологических величин (давления, температуры, скорости ветра).

Преимуществом развиваемой теории является то, что она описывает все стадии явления ветровой эрозии (отрыв, подъем, перенос и отложение частиц) в рамках законов механики, опираясь на найденное решение задачи о подъемной силе. Решение, получаемое для случая постоянной по высоте скорости ветра, не несет ничего, что препятствовало бы его применению в иных случаях, с переменной по высоте скоростью, в том числе и в случае струйного течения.

Метки: