Агрофизика Физика

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика»  Х. Вольфа  (1746). Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению  компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Все, что происходит в природе связаны с физикой. Все процессы объясняется физическими законами. В зависимости от вида процесса, физика разделяется на несколько разделов. Существуют несколько научных направлении связанные с физикой. В этой книге коротко описывается разные научные направлении связанные с физикой, такие как астрофизика, материаловедение, медицинская физика и т.д.

Агрофизика – наука о физических основах формирования урожая. Это, скорее, понятие об агрофизике, чем определение этой науки. Существует более полное, можно сказать энциклопедическое, определение науки агрофизики.

Агрономическая физика (Агрофизика) - наука, изучающая физические,

физико-химические и биофизические процессы в системе “почва - растение – деятельный слой атмосферы”, основные закономерности продукционного процесса, разрабатывающая научные основы, методы, технические, математические средства и агроприемы рационального использования природных ресурсов, повышения эффективности и устойчивости агроэкосистем, земледелия и растениеводства в полевых и регулируемых условиях.

Однако, хотя в этом определении указываются почти все разделы агрофизики, возможные отрасли ее приложения, объекты и методы, все же нередко возникают вопросы в специфике именно агрофизических объектов, методов и теорий. Действительно, ростом и развитием растений, биохимическими и молекулярными основами процессов в растении занимаются известная наука–физиология растений. Исследованиями физических свойств и режимов почв занимается также вполне конкретная наука – физика почв. Да и деятельный слой атмосферы давно, хорошо разработанными методами исследует метеорология. Чем же отличаются подходы и методы агрофизики от методов физиологии растений, физики почв, метеорологии?

Когда-то, в 70-х годах прошлого столетия известный ученый, один из основателей современной агрофизики академик Сергей Владимирович Нерпин, на вопрос, что же должна изучать агрофизика, ответил: «Все физические процессы, которые происходят на сельскохозяйственном поле». Это была скорее реплика, чем конкретное научное определение. Однако, даже в нем просвечивается основное качественное отличие агрофизики от смежных наук. Оно заключается прежде всего в подходе, в методе изучения процессов на сельскохозяйственном поле. Агрофизика интересуется физикой процессов (будь процессы в почве, растении, атмосфере), предлагает физическую модель явления. Эта модель завершается составлением некоторой схемы взаимосвязей между основными процессами. Это так называется функциональная блок-схема. На следующем этапе изучения явления агрофизики должны наполнить эту концептуальную схему конкретными зависимостями между отдельными функционирующими блоками (например, между фотосинтезом и дыханием), между отдельными процессами и действующими физическими факторами внешней среды (например, между фотосинтезом и температурой). В результате полевых и лабораторных экспериментов выделяются физические параметры, формируется вид зависимости между изучаемыми блоками. А далее, на заключительном этапе исследования, уже формулируется математическая модель исследованных явлений во взаимосвязи с факторами внешней среды, которая указывает на то, что, во-первых, данный раздел достаточно хорошо изучен, вплоть до функциональных зависимостей, описывающих основные физические процессы исследуемого раздела, а во-вторых, появляется возможность научно-обоснованно управлять этими явлениями с учетом всех тех взаимосвязей, которые изучили агрофизики-теоретики и экспериментаторы на предыдущих этапах. Вот такой физический подход к природным явлениям, включающий выделение основных процессов и воздействующих факторов внешней среды, экспериментальное изучение связей этих процессов друг с другом и факторами и количественное описание этих взаимосвязей в виде физически-обоснованных математических моделей и есть свой оригинальный путь исследования, свой метод познания физических явлений, происходящих на сельскохозяйственном поле, в лесничествах, в теплицах, на спортивных площадках и пр. Этим методом, такой последовательностью ознакомления с биофизическими процессами в системе “почва - растение – деятельный слой атмосферы” Какие общие закономерности, правила, закономерности пройдут «красной нитью» через весь этот курс?

Это обязательное условие для физического описания процессов. Это условие возникает еще и из-за необходимости соблюдать баланс веществ и энергии в рассматриваемой системе. Оно особенно важно в агрофизике, так как это наука захватывает различные разделы физики, где фигурируют разнообразные размерности. Например, при изучении световых потоков, используются такие единицы системы СИ, как кандела, люмен, люкс, а также внесистемные - «фот», «стильб». Необходимо знать и уметь переводить единицы измерений из одной размерности в другую.

элементарный – это уровень почвенного разреза, растения и воздушной среды около растения;

уровень агроценоза - почвенный покров со свойственным ему агрофитоценозом и приземным слоем атмосферы. Это, как уже указывалось, основной иерархический уровень исследования агрофизики;

ландшафтный уровень – включает уже несколько агроценозов, имеющих характерный водосбор, чередование агрофитоценозов и мезоклиматических условий.

На любом из указанных пространственных уровней добавляются некоторые специфические, свойственные данному масштабу, законы и закономерности. Мы же должны четко представлять, что центральный масштабный уровень современной агрофизики – это уровень агроценоза, основные физические законы и закономерности которого мы и будем изучать. Впрочем, весьма часто привлекая материал и из более низких уровней для понимания фундаментальных процессов, происходящих в агроценозе.
Стадийные процессы
И еще одна особенность агрофизического подхода к описанию биологических процессов. Дело в том, что биологические процессы, - процессы роста, развития, - это стадийные процессы. Одна стадия развития закономерно сменяется другой в процессе периода вегетации, или, как это принято в биологии, в процессе онтогенеза. Описать такую стадийность на основании рассмотрения биологических процессов не всегда удается из-за сложности, многофакторности, а иногда, и просто неизученности явления

перехода одной стадии в другую. На вопросы «Почему? Когда?» одна стадия развития сменяет другую нередко просто нет ответов. В агрофизике поэтому разработан интересный подход: надо найти связь наступления стадии с некоторым кумулятивным (т.е. накапливающимся) фактором внешней среды. Например, с суммой положительных температур. Вот этот кумулятивный фактор уже достаточно устойчиво для данного вида растений связан с наступлениями той или иной стадии.

Продукционный процесс растений–это совокупность взаимосвязанных процессов, происходящих в растении, из которых основными являются фотосинтез, дыхание, рост, формирующих урожай растений.

Продукционный процесс зависит от факторов внешней среды и способен сам трансформировать средообразующие факторы через изменение газообмена, транспирацию, архитектуру посевов.

Из этих определений следует, что продукционный процесс – весьма разнообразен, включает, кроме трех основных (фотосинтез, дыхание, рост) еще и многие процессы в растениях, которые зависят от факторов внешней среды. Эти факторы внешней среды растения способны видоизменять сами, трансформировать их в некоторых пределах. Хорошо известно, как растения благодаря строению листьев и их расположению (архитектура посевов, движение листьев за Солнцем) способно достичь максимального потребления света. Другим примером может служить способность растений формировать сомкнутые покровы, в которых устанавливается определенный, отличный от условий над растительным покровом микроклимат: в посеве и около него другая влажность, температура, скорость ветра, и соответственно, иные транспирация, дыхание и многие другие взаимосвязанные процессы.

Несмотря на многообразие факторов, определяющих продукционный процесс, несмотря на многочисленные приспособительные реакции растений, их разнообразие, в агрофизике выделяют несколько общих законов продукционного процесса, которые также пройдут «красной нитью» через весь курс «Агрофизики». Этих законов немного, мы выделим пять основных. Некоторые из них совершенно очевидны и понятны на обыденном уровне.

Другие требуют более подробного рассмотрения, которое будет сделано в данном курсе (в основном, в III-й Части). Сейчас же мы их просто перечислим и кратко прокомментируем:

1.Закон незаменимости основных факторов жизни.

Этот закон утверждает, что ни один из факторов развития растений не может быть полностью заменен каким-либо другим. Ведь нельзя же заменить для растения тепло – влагой, влагу – светом и проч. Все эти факторы обязательно (свет, тепло, влага) необходимы растениям. В отсутствии хотя бы одного из них оно погибнет. Эти факторы, - свет, тепло, влага, - факторы космические, их ничем нельзя заменить, они – основные, все определяющие. Из этого закона следует очень важный вывод, на который иногда указывают, как на самостоятельный закон, столь важно его значение. Это закон «физиологических часов». Для растений одним из основных регулирующих фактором является фотопериодичность, регулярность светового режима в каждой природной зоне. Именно длина дня и ночи является для большинства растений регулятором для наступления определенных стадий развития. Например, «запуск» подготовки деревьев к зиме, заключающейся в том, что они сбрасывают листья, замедляют многие физиологические процессы, происходит именно при определенной длине дня. Для растений длина дня – неумолимый космический фактор, на который оно всегда, вне зависимости от складывающихся в этот год метеоусловий, может опираться.

2. Закон неравноценности и компенсирующего воздействия факторов среды.

Действительно, основные факторы, такие как тепло, свет, воду, заменить ничем нельзя. А вот их действие как-то изменить могут другие факторы. Например, облачность, туман могут ослабить недостаток влаги. А ветер ослабляет неблагоприятное действие заморозков. Главное же отличие этого закона от 1-го (закона незаменимости основных факторов жизни): первый действует всегда, на протяжении всей жизни растении, а второй в отдельные периоды жизни растении, снижая неблагоприятные или увеличивая благоприятное действие основных факторов жизни.

3. 
   Закон минимума.
   

- рост интенсивности процесса будет определяться скоростью прироста фактора, наиболее удаленного от оптимума. Часто этот закон приводят в формулировке известного немецкого агрофизика Э.Вольни: «Фактор, находящийся в минимуме, тем сильнее влияет на урожай, чем больше остальные факторы находятся в оптимуме» и именуется в литературе как закон Э. Вольни-Либшера;

- следует учитывать «компенсирующее» действие других, находящихся не в оптимальных условиях, факторов.

4. Закон оптимума.

5. 
   Закон «критических периодов».