Kategórie

Naši partneri



Flag Counter

Degradácia pôdy vetrom – veterná erózia (úvod do problematiky) I. časť

Podmienky pre vznik veternej erózie

Motto: Verba promitturnur et facta laudantur, Slová sú sľuby a činy skutky.

Veterná erózia vzniká mechanickým pôsobením vetra na povrch pôdy. Podobne ako voda rozrušuje pôdny povrch, uvoľňuje a odnáša na pôdne častice na iné miesto. Okrem priameho pôsobenia na pôdu, veterná erózia poškodzuje rastliny obnažovaním korienkov a odnášaním živín. Sedimentovaný materiál pôsobí na zanášanie vegetácie, čím vznikajú škody na poľnohospodárskych pôdach a kultúrach. Aby erózny proces na pôde vznikol a prebiehal vietor ako základný podmieňujúci činiteľ musí:

  • Byť dostatočne silný, aby nastal odnos pôdnych častíc.

  • Pole, dostatočne veľké, najmä v smere prevládajúcich vetrov.

  • Povrch pôdy dostatočne hladký, bez vegetačného krytu.

  • Suché pôdy nepokryté vegetáciou.

Erózia sa vyskytuje v aridných a semiaridných oblastiach s priemerným úhrnom zrážok nižším ako 550 mm·r-1 a lesnatosťou menej ako 20 %, na ľahkých piesočnatých a hlinitopiesočnatých pôdach.

Oblasti ohrozené alebo náchylné na veternú eróziu na Slovensku zatrieďujeme do piatich kategórií:

Prvá kategória zahrňuje najohrozenejšie oblasti; Záhorská nížina, oblasť okolo Bratislavy od Malých Karpát až po hranice SR.

Druhá kategória : silno ohrozené pôdy; sú to oblasti vo východnej a juhovýchodnej časti podunajskej nížiny.

Tretia kategória: pôdy ohrozené; oblasť Podunajskej nížiny, južná časť Záhorskej nížiny a južná časť Potiskej nížiny na východnom Slovensku.

Štvrtá kategória : menej ohrozené pôdy; južná časť stredného Slovenska a východojužná časť Východoslovenskej nížiny.

Piata kategória: náchylné pôdy; okraje Podunajskej nížiny oblasti pozdĺž Ipľa a Rimavy, na východnom Slovensku severná časť Potiskej nížiny.

Podľa štatistiky veterná erózia na Slovensku zaberá 397 000 ha ornej pôdy vo všetkých jej formác t. j, 16,2 % z celkovej OP..

Proces veternej erózie je stochastický jav, ktorý prebieha na povrchu pôdy ako dôsledok vzniknutej nerovnováhy medzi odporom pôdy a kinetickej energie vetra v medznej vrstve atmosféry. Rýchlosť vetra smerom k povrchu (pôda, porast) klesá, až dosiahne nulovú hodnotu; ako dôsledok trenia medzi povrchom, vzduchom a viskóznymi silami zo vzduchu v prízemnej vrstve atmosféry. Prízemná vrstva atmosféry – vertikálne siaha do niekoľko 100 metrov nad zemský povrch.

Dolná časť medznej vrstvy atmosféry sú parametre turbulencie výmeny vzduchu lineárne funkcie k jej výške. Základným druhom prúdenia v medznej vrstve atmosféry vo vertikálnom smere je turbulentné prúdenie, čo je spôsobené nerovným a drsným zemským povrchom, má za následok, že priemerná rýchlosť poklesne na nulu už v určitej veľmi tenkej vrstve nad povrchom. Táto vrstva dosahuje len niekoľko desatín alebo stotín, ba aj tisícin metra a z aerodynamického hľadiska vyjadruje stupeň drsnosti daného povrchu, nazýva sa koeficient dynamickej drsnosti. Označuje sa symbolom z0..

Zmena rýchlosti vetra nad úrovňou efektívnej výšky porastu d alebo nad povrchom pôdy bez porastu vyjadruje charakteristiku turbulentného režimu, ktorá sa nazýva dynamická rýchlosť vetra a vyjadrujeme ju podobne, ako rýchlosť vetra vz,  alebo aj u. v [ m . s – 1 ]. Drsnosť pôdneho povrchu znižuje rýchlosť vetra aj sily, ktoré spôsobujú defláciu pôdnych častíc, ale zväčšujú turbulenciu vetra, čím je pôdny povrch vystavený väčším tlakovým silám, a tým aj zvýšeným eróznym procesom. Tento jav vyjadruje faktor drsnosti nepokrytého pôdneho povrchu K´–kvantitatívnu bezrozmerovú hodnotu drsnosti povrchu pôdy. Rozborom týchto veličín potom môžeme určiť aj posúvanie pôdnych častíc po pôdnom povrchu.

V prízemnej vrstve atmosféry rozoznávame z hľadiska eróznych procesov tri charakteristické vrstvy prúdenia vzduchu:

a) laminárna podvrstva, ktorá má rozmery: 10 – 4 ~ 10 – 3 m (0,1 ~ 1 mm) je to kontaktná vrstva aktívneho povrchu s atmosférou. Z fyzikálnych vlastností je mimoriadne dôležitá ako turbulentný prenos energie na intenzitu eróznych procesov a nachádza sa nad aerodynamicky hladkým povrchom,

b) prízemná medzivrstva: vo vertikálnom profile má hodnoty: 10 –3 ~ 10 – 2 m (1 ~ 10 mm). Energia transportu pôdnych častíc je podmienená turbulenciou vzduchu, ktoré vplyvom výšky narastá,

c) prízemná vrstva atmosféry, nazývaná aj Prandtlova vrstva, vertikálne kolíše od 20 ~ 100 m. Tangenciálne napätie je vyvolané len turbulenciou vzduchu a výškou sa nemení.

Nad prízemnou vrstvou atmosféry sa nachádza Eckmanova špirála, má vertikálny rozmer 1000 až 1500 m nad pevninou a 300 až 500 m nad morskou hladinou.

Rýchlosť vetra smerom k zemskému povrchu postupne klesá, až dosiahne nulovú hodnotu. Pre ideálny úplne rovný a hladký povrch by rýchlosť vetra poklesla na nulu až na úrovni povrchu. Ideálne rovný povrch sa v terénnych podmienkach nevyskytuje, čo má za následok, že priemerná rýchlosť prúdenia vzduchu klesne na nulu až v určitej výške nad terénom. Táto výška charakterizuje z aerodynamického hľadiska stupeň drsnosti daného povrchu – z0.. Ďalším faktorom pri veternej erózii je dynamická rýchlosť–u. Tieto dve hodnoty v prízemnej vrstvy atmosféry, pôda – vzduch, sú limitujúce pri analýze podmienok vzniku a priebehu veternej erózii.

Dynamická rýchlosť u a koeficient dynamickej drsnosti z0 ovplyvňujú počiatočnú rýchlosť pohybu pôdnych častíc posúvaním po povrchu terénu. Je to začiatok pohybu pôdnych častíc po horizontálnej rovine – erózny proces. Začiatok erózneho procesu je vyvolávaný rýchlosťou vetra, ktorý nazývame kritická rýchlosť vetra–vk.

Začiatok erózneho procesu závisí aj na turbulentnom trení, ktoré je najväčšie pri zemskom povrchu a smerom hore jeho intenzita stúpa. Konkrétna mocnosť medznej vrstvy je tým väčšia, čím je zemský povrch drsnejší a narastá so zvyšovaním rýchlosti prúdenia vzduchu. V našich geografických podmienkach sa nachádza v intervale 1000 ~ 1500 m nad terénom.

Rýchlosť vetra v blízkosti zemského povrchu narastá s jeho výškou. Prúdenie s výškou podmieňuje dva limitujúce faktory:

  • drsnosť terénu – vyvolaná nerovnosťou zemského povrchu, ktorá vyvoláva,
  • dynamickú deformáciu prúdenia vzduchu.

Vzdušný prúd vplyvom povrchovej vrstvy atmosféry dosahuje priemernú rýchlosť v´ (m . s – 1) v rovnobežnom smere s terénom v závislosti na jej drsnosti na:

  • pôdnych agregátoch; veľkosť, tvar a priestorové rozmiestnenie,

  • vegetačnom kryte; druh, hustota, kvalita a orientácia na prevládajúci smer vetrov,

  • reliéf; priestorové rozloženie terénnych nerovností a preliačin.

Pre Slovensko bola stanovená rovnica koeficienta dynamickej drsnosti z0 vypočítaná pomocou priemerných rýchlosti vi´ na vertikálnych hladinách merania z i a dynamickej rýchlosti u vertikálneho profilu na pôde nepokrytej vegetáciou v zimnom období, kedy sú vytvorené najpriaznivejšie podmienky dutia SZ vetrov a pôda býva obyčajne obnažená bez vegetačného krytu pre vznik vetrovej erózie.

Silu vetra podľa jeho účinku posudzujeme tlakom na plochu 1,0 m². Pri eróznom procese sú do pohybu zrná o malej výške h=0,1 m kde nastáva veľká turbulencia vetra, ktorá zodpovedá aj výške koeficienta povrchovej drsnosti z0 v metroch. Tlak vetra T je určený vzťahom:

Vznik veternej erózie

Na vznik a priebeh erózneho procesu z vetra musia byť splnené tri základné podmienky:

  • Uvedenie pôdnych častíc do pohybu.
  • Pohyb pôdnych častíc.
  • Ukladanie pôdnych častíc.

Prvé dve fázy spôsobuje energia turbulentného prúdenia prízemných vetrov, ktorá je schopná prekonať gravitačné sily pôdnych častíc, tretia fáza nastáva pri poklese energie vetra. Na spôsob pohybu má vplyv okrem rýchlosti vetra a tvaru pohybujúcich pôdnych častíc aj vlhkosť povrchu reliéfu.

Na ďalší spôsob prepravy má vplyv výška, do ktorej sú pôdne častice vymršťované. Všeobecne vietor neuvádza do pohybu zrná väčšie ako 3 mm; pri veľkých rýchlostiach vetra sú vynášané do výšky 0,5 až 1 m zrná o priemere 2 až 3 mm a štrk o priemere 5 až 10 mm je vlečený po teréne. Pri znížení rýchlosti vetra zrná pôdy padajú na zem podobne ako zrná pri pohybe saltáciou sa pri náraze od povrchu odrážajú. Pri náraze na menšie zrná ležiace na povrchu sú vymršťované a väčšie sú len pootáčané po povrchu.

Okrem rýchlosti vetra má na erózne procesy vplyv aj jeho smer, ktorý je daný uhlom dopadu na povrch pôdy.

Uvedenie pôdnych častíc do pohybu

Uvedenie pôdnych častíc do pohybu spôsobuje energia turbulentného prúdenia vetra v prízemnej vrstve atmosféry, ktorý musí prekonať gravitačné sily pôdnych častíc. V tesnej blízkosti nad povrchom terénu je rýchlosť vetra nulová. V minimálnej vrstve nad touto výškou, ktorú charakterizuje koeficient dynamickej drsnosti vetra z0 je pohyb vzduchu laminárny, nad ktorým je pohyb turbulentný, ktorý má schopnosť prekonať gravitačné sily medzi pôdnymi časticami, čím nastáva odnos pôdnych častíc.

Pôdne častice alebo ich časti vyčnievajú nad povrchom pôdy do turbulentnej výšky vetra, čím sú vystavené jeho silovým účinkom. Ak sú pôdne častice dostatočne veľké, alebo spojené s inými časticami, môžu odolávať tlakovým účinkom vetra. V opačnom prípade môžu byť zdvíhané z pôdneho povrchu a premiestňované na iné miesto. Na porušenie stability pôdnych častíc je potrebný výskyt vetra, ktorý má väčší silový účinok ako sú ich stabilizujúce sily.

Pohyb pôdnych častíc vo vzdušnom prúde je závislý na rýchlosti vetra potrebnej k zahájeniu erózneho procesu pohybu pôdnych častíc až po jeho akumuláciu, t. j. ukončenie erózneho procesu. Pôsobenie vetra na pôdne častice vyhodnotíme na základe pôsobenia sily ako stabilizujúci a destabilizujúci faktor pôdnych častíc a vetra. Proti porušeniu stability častíc pôsobí vlastná tiaž G a destabilizujúca sila silového účinku vetra Fv. Tieto faktory sú rozhodujúce pri analyzovaní vzniku a priebehu intenzity veternej erózie.

Rýchlosťou vetra sa zvyšujú turbulentné účinky. Výška, v ktorej je rýchlosť nulová a zmena rýchlosti nad povrchom pôdy závisí na drsnosti povrchu. So vzrastajúcou drsnosťou povrchu – veľké pôdne častice (hrudy), brázdy, vegetácia alebo jej zvyšky narastá aj rýchlosť vzduchu nad povrchom pôdy. Drsnosť povrchu pôdy zvyšuje trenie, ktoré musí byť prekonané turbulentným vetrom. Usmernenie na minimálnu rýchlosť vetra, pri ktorom nastáva erózny proces:

Smernica FAO (1960): Minimálna rýchlosť vetra potrebná na zahájenie pohybu najerodovatelnejších častíc je 16 km·h-1(4,4 m·s-1) vo výške 0,305 m nad povrchom pôdy.

Podľa veľkosti pôdnych častíc rozlišujeme tri základné typy pohybu:

  • Pohyb pôdnych častíc vznášaním vo vzduchu vo forme suspenzie.

  • Pohyb pôdnych častíc skokom – saltáciou.

  • Pohyb pôdnych častíc posúvaním – gúľaním alebo plazením po zemskom povrchu.

Počiatočný pohyb je horizontálny v smere pôdnej častice, pri unášaní veterným prúdom získajú značnú kinetickú energiu a pri náraze na pôdny povrch sa môžu:

  • odraziť spať do vzdušného prúdu,

  • byť unášané vzdušným prúdom,

  • posúvané po pôdnom povrchu,

  • vytláčať iné pôdne častice,

  • uvoľňovať z pôdneho povrchu častice, ktoré sa môžu ďalej pohybovať.

 

Pohyb pôdnych častíc po povrchu terénu

Jemné častice o priemere menej než 0,1 mm sú uvedené do pohybu nárazom pôdnych častíc, ktoré sa pohybujú skokom vo forme vzdušnej suspenzie. Jemné prachové častice sú odrážané do väčšej výšky tým, že narážajú do väčších častíc, ktoré sa pohybujú saltáciou, alebo sú priamo zdvíhané, pokiaľ sa nachádzajú v turbulentnej vrstve. Pohyb týchto častíc je závislý na Stokesovom zákone, ktorý vyjadruje vzťah medzi pádovou rýchlosťou pôdnych častíc a druhou mocninou ich priemeru. Rýchlosť pádu veľmi jemných častíc je malá, čím zostávajú dlhý čas vo vzduchu a vetrom sú odnášané na veľké vzdialenosti. Presúvaním vzdušných hmôt v horizontálnom aj vertikálnom smere, vietor formou vírov, ktoré dosahujú výšky 1000 m nad povrchom terénu a rýchlosť stúpania až 10 m·s-1. Vertikálny pohyb vzduchu sa približne rovná ⅙ horizontálnej rýchlosti a vírom vyzdvihnuté častice vytvárajú oblaky prachu, ktoré pri silných vetroch prechádzajú v tzv. čierne búrky. Pri silnejších vetroch môže byť v 1km³ vzduchu 1000 m³ prachu.

Pohyb pôdnych častíc skokom

Pohyb pôdnych častíc skokom je najvýznamnejší pri procese veternej erózie; pri tomto pohybe dochádza k premiestňovaniu najväčšieho množstva pôdnych častíc. Pohyb je vykonávaný nízkymi odrazmi od pôdy a je charakteristický pre zrná pôdnych častíc strednej veľkosti, ľahké vyzdvihnuté z povrchu pôdy, ale aj príliš ťažké, aby sa pohybovali v suspenzii. Veľkosť častíc, ktoré sa pohybujú skokom je od 0,05 – 0,5 mm a naviac ohrozené sú častice o priemere 0,10 – 0,15 mm.

Častice vyskakujú temer zvisle do výšky až 0,30 m. Po dosiahnutí vrcholu vymrštenia sa pôdne zrná vplyvom gravitačných síl vrátia na povrch a pôsobením horizontálnych síl vetra je výsledná dráha po krivke pod uhlom dopadu 6 – 12° vo vzdialenosti asi desať násobku výšky zdvihu s vysokou energiou dopadajú znova na pôdu. Pri dopade nastáva vírivý proces, ktorý je základom pre prachové búrky.

 

Pohyb pôdnych častíc posúvaním

 

Väčšie zrná, ktoré sú príliš ťažké, aby ich vietor svojou silou mohol zdvihnúť, sú kotúľané po povrchu pôdy, a to tlakovou silou vetra a nárazmi pôdnych častíc, ktoré sa pohybujú skokom. Posúvaním sa pohybujú pôdne zrná o priemere 0,5 – 1,0 do 2,0 mm; teoreticky neexistuje horná hranica pre veľkosť posúvaných častíc.

Hranaté zrná sú posúvané, ale okrúhle sa gúľajú. S rastúcou rýchlosťou vetra narastá rýchlosť gúľania. Pri rýchlom otáčavom pohybe sa zmenšuje trenie a priľnavosť a pri narazení na prekážku vymrští pôdne zrná do výšky 20 – 30 cm. Na takto pohybujúce sa zrná pôsobia dve sily; odpor a merná tiaž, čím sa rýchlosť vetra znižuje, zrná padajú na pôdny povrch pod uhlom 10 – 16°. Dráha a vzdialenosť dopadu je závislá na výške vynesenia, ktorá zodpovedá rýchlosti a sile vetra. Tento pohyb môže viesť k suspenzii, keď pohybujúce pôdne častice majú optimálnu veľkosť a prúdenie má charakter turbulencie.

Pôdne častice ohrozené vetrom sa nachádzajú v hraničnej vrstve vzdušného prúdu, kde prudko narastá rýchlosť vetra vo vertikálnom profile. Účinkom vetra sa častica môže posúvať, kotúľať, alebo sa pohybovať saltáciou. Pri vyšetrovaní stability hodnotíme:

  • odpor proti posúvaniu po povrchu,
  • odpor proti prevráteniu.

Ukladanie pôdnych častíc

Všeobecne platí, že ukladanie pôdnych častíc nastáva vtedy, ak váha častice je väčšia ako silový účinok vetra čiže G>Fv . Ukladanie pôdnych častíc v prírodnom prostredí dáva možnosti poznania analyzovať podmienky vzniku a priebehu veternej erózie pôdy. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že ukladanie – alebo akumulácia erodovaných pôdnych častíc vetrom, nastáva, ak miestne pomery zvyšujú drsnosť povrchu pôdy na takú hodnotu, že rýchlosť vetra a jeho intenzita tento stav neprekoná. Zvýšenie drsnosti povrchu spôsobujú terénne alebo vegetačné prekážky. Pri ukladaní pôdnych častíc musí platiť podmienka G>Fv .

 

Závery a odporúčania

Deflácia pôdy vetrom v prírodných podmienkach sa neprejavuje, ak platí rovnosť G ≡ Fv.

Analyzovanie pohybu pôdnych častíc zdvihu, pohybu a transportu je zložitý matematicko-fyzikálny proces v prírodných podmienkach. Ako stabilizujúci faktor je pôdna častica G, ktorá súvisí so súdržnosťou pôdy. Proti stabilite pôsobí silový účinok vetra Fv. Aby častica bola zdvihnutá, unášaná, posúvaná, kotúľaná po teréne vetrom, musí vždy platiť nerovnosť G < Fv .

Výsledky môžeme využiť pre stanovenie hmotnosti častíc prenášaných vetrom ako kvantitatívne vyjadrenie, určiť aj vzdialenosť, na ktorú sú pôdne častice prenášané – ako teoretickú dráhu. Môžeme sa rozhodnúť pre návrh protieróznej ochrany výsadby vetrolamu kolmo na smer prevládajúcich vetrov, alebo lesných ochranných pásov. Vlastný erózny proces sa skladá z unášacej sily vetra a sily posúvania. Z rýchlosti vetra nameranej na meteo stanici môžeme podľa percentuálneho rozloženia síl určiť priemernú rýchlosť vetra, ktorá je potrebná k vytvoreniu erózneho procesu. Pre dané pôdne podmienky k pohybu pôdnych častíc – ako erózny proces závisí na troch faktoroch rýchlosti vetra:

  • rýchlosť vetra vz (m·s-1) potrebnej na zdvihnutie častice pôdy,
  • rýchlosť vetra vu (m·s-1) potrebnej na unášanie pôdnych častíc prúdom vzduchu,
  • rýchlosť vetra vp (m·s-1 ) potrebnej na posúvanie častíc po povrchu terénu.

K rýchlostným pomerom sa zaraďuje koeficient drsnosti pôdneho povrchu zo (m). Do výpočtu sa zaraďuje číselnou hodnotou K´.

Bolo zistené, že medzi mechanickou stabilitou pôdnych agregátov a rýchlosťou, intenzitou a častosťou vetrov je pri vzniku erózneho procesu priama závislosť. Tento proces v prírodných podmienkach je nepravidelný a ťažko merateľný. Preto sa jeho veličiny vyhodnocujú v laboratórnych podmienkach. V prírodných podmienkach zásady prúdenia vzduchu v prízemnej vrstve atmosféry: laminárne prúdenie, prúdenie v prechodnej vrstve a turbulentné prúdenie, charakterizujú koeficient dynamickej drsnosti z0, ktoré môžeme získať iba z konkrétnych meraní v teréne.

Z nameraných hodnôt je možné určiť na základe hmotnosti aj teoretickú dráhu pohybu pôdnej častice, lebo povrch pôdy nie je ideálne rovný. Na teréne sa vyskytujú rôzne prekážky, preliačeniny, brázdy a iné nerovnosti. Prúd vetra sa v horizontálnom smere mení, čím naráža na rôzne prekážky, a tým sa mení i jeho rýchlosť z niekoľko µs na 1 sek., mení sa intenzita, ale aj smer vetra.

Poďakovanie:

ďakujem p. prof. J. Streďanskému z Poľnohospodárskej Univerzity v Nitre, jednému zo zakladateľov vedného odboru degradácie pôdy vetrom – veterná erózia, za poskytnutie výsledkov z laboratórnych a poľných výskumov (1985 – 2015), na ktorých je založená predložená práca.

Alojz Malíšek

malisek.alojz@gmail.com

www.biosferaklub.info

Páčilo sa? Zdieľajte:

Ďalšie články z tejto kategórie