Биотический насос — как леса стимулируют выпадение континентальных осадков

В моей предыдущей статье, посвященной устранению некоторых недоразумений в отношении атмосферы и погоды, указывалось, что простая модель преобладающих ветров, переносящих влагу из океанов далеко на континенты, неудовлетворительна; необходима другая модель. Теория биотического насоса, предложенная российскими физиками Анастасией Макарьевой и Виктором Горшковым, предлагает убедительное объяснение переноса влаги в континентальные недра вдали от океанических источников влаги. Эта теория бросает вызов традиционному представлению о том, что леса пассивно получают осадки независимо от наличия растительности под ними; вместо этого она демонстрирует, что здоровые леса активно “перекачивают” атмосферную влагу из океанов вглубь континентальных массивов суши посредством процессов транспирации и испарения. Эта теория имеет большое значение для понимания климатической системы Земли и подчеркивает важнейшую роль нетронутых лесных экосистем в поддержании стабильных водных циклов, от которых зависит человеческая цивилизация.

Проблема континентальной влажности
Наземная жизнь, зависящая от наличия воды, сталкивается с фундаментальной проблемой для всех видов на суше: под действием силы тяжести вода неизбежно перетекает с суши в океан через реки и стоки. Для поддержания достаточного количества влаги, необходимого для процветания жизни, эта гравитационная потеря воды должна постоянно компенсироваться переносом атмосферной влаги из океана на сушу в виде осадков, т.е. должен поддерживаться баланс воды между сушей и океаном.
Рис.
Экспоненциальное падение количества осадков P (мм в год−1) на расстоянии x
(км) от источника атмосферной влаги на безлесных территориях.

Как указано в статье «Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила гидрологического цикла на суше», перенос атмосферной влаги экспоненциально уменьшается с удалением от побережья, при этом характерная длина спада составляет от 100 до 800 км, а в среднем — 600 км. Эмпирические данные из безлесных регионов (Северная Австралия, Северо-Восточный Китай, Западная Африка, Аргентина и Северная Америка) неизменно демонстрируют экспоненциальное снижение количества осадков по мере удаления от источников влаги. Этого ограничения в 600 км достаточно, чтобы в Великобритании было преимущественно влажно; теперь мне понятно, что большая часть влаги, поступающей с Запада, будет потеряна к тому времени, когда она достигнет Восточной Англии.

Но как насчет суши протяженностью более 600 км? Наблюдаемое физическое ограничение представляет собой парадокс: если перенос влаги ограничен несколькими сотнями километров, как могут процветать обширные леса на тысячи километров вглубь материка в бассейне Амазонки, Экваториальной Африке и Сибири? Ответ кроется в самих лесах: они не просто получают выгоду от осадков, но и активно участвуют в круговороте влаги; леса являются частью решения проблемы, результатом совместной эволюции растительности и осадков, аспекта, который очень важен для поддержания этого цикла.

Физика биотического насоса
Ниже мы попытаемся представить несколько ключевых концепций, представленных в обширных публикациях Анастасии Макарьевой и извлеченных из них.

Сила испарения
Как известно большинству людей, которые гуляли в лесу жарким летним днем, воздух между деревьями освежает двояко. Во-первых, испарение лесов, выделяющих H₂O и O₂ и поглощающих CO₂ в процессе фотосинтеза, обеспечиваемого энергией солнца, требует энергии, которая извлекается из окружающей среды. Во-вторых, как легко может убедиться большинство людей, размахивая мокрыми руками в воздухе, испарение воды охлаждает ваши руки. Когда вода превращается из жидкости в пар, требуется так называемая энтальпия испарения (2260 кДж/кг), которая берется из окружающей среды и охлаждает воздух; эта энергия накапливается в виде “скрытого тепла” в водяном паре.

Влажный воздух (сухой воздух плюс водяной пар, образующийся как в результате испарения, так и в результате транспирации) подвергается воздействию направленной вверх силы, так называемой “силы испарения”. Эта сила возникает из-за неравновесного вертикального распределения водяного пара в атмосфере по отношению к скорости изменения температуры атмосферы, скорости, с которой температура атмосферы снижается с увеличением высоты (6,5°C на километр). Сила испарения приводит как к вертикальному подъему воздушных масс, так и к горизонтальному перемещению воздуха из областей слабого испарения в области интенсивного, как показано на диаграмме ниже.

Нажмите enter, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Принцип действия биотического насоса: влажный воздух из океана поступает на сушу, поднимается вверх, и в сочетании с испарением растительности еще больше увеличивается до конденсации на большей высоте; возникающий в результате перепад давления втягивает больше воздуха и поддерживает цикл, при этом сухой воздух поступает обратно в океан (источник).
Другими словами, насос работает по самоподдерживающемуся циклу:

Повышенное эвапотранспирация: Леса с их высоким показателем площади листьев (общая площадь листовой поверхности, деленная на площадь поверхности земли) поддерживают уровень испарения, превышающий уровень испарения в океане.
Конденсация воды: По мере того, как водяной пар поднимается и охлаждается, он конденсируется. Поскольку водяной пар занимает больший объем, чем жидкая вода, этот фазовый переход снижает атмосферное давление над лесом.
Приток влаги: Перепад давления притягивает больше влажного воздуха из океана в глубь леса, создавая ветры, которые переносят еще больше влаги вглубь леса.
Устойчивый цикл: Выпадение осадков восстанавливает влажность почвы, обеспечивая непрерывное испарение и поддерживая градиент давления, который способствует дальнейшему притоку влаги.
Борьба за испарение
Здоровые леса могут очень хорошо переносить влагу, потому что испарение и транспирация, приводящие к падению давления над лесами, более выражены, чем испарение над океанами. Таким образом, втягивается больше влажного воздуха, что приводит к большему количеству осадков, затем к транспирации и т.д.; Создается и поддерживается эффективный цикл. Напротив, при скудной растительности происходит меньшая транспирация и испарение, что приводит к инверсии воздушных потоков, как показано ниже, к “перетягиванию каната” между океаном и лесом. Здоровые леса с сомкнутыми кронами создают потоки испарения, которые превышают испарение с поверхности океана, вытягивая влажный воздух вглубь материка. Деградировавшая или редкая растительность не может поддерживать такой перепад давления, что приводит к преобладанию естественного экспоненциального спада и, возможно, к изменению направления воздушного потока.

Нажмите enter или щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Борьба между сушей и морем: растительность определяет поток влажного воздуха. (источник)
Перенос влаги в континентальном масштабе
В то время как предыдущая концепция демонстрирует, как полоса шириной, скажем, в 600 км вблизи побережья будет поглощать влагу, реальная мощь биотического насоса заключается в том, как влага затем передается дальше по суше.

Каскадные насосные элементы
Биотический насос работает не как единый континентальный механизм, а как каскад взаимосвязанных “насосных ячеек”. Прибрежные леса получают влагу из океана. Поскольку эта влага выпадает в осадок и повторно испаряется в результате испарения, она создает условия для продолжения процесса в следующей внутренней ячейке, функционирующей как цепочка насосов меньшего размера. Преобладающие ветры обеспечивают общую скорость, которая переносит влагу через этот каскад на тысячи километров.

Нажмите enter или щелкните мышью, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Когда вода над прибрежными лесами конденсируется, это понижает давление воздуха, создавая ветры, которые приносят больше влаги из океанов. Таким образом, каскад циклов испарения и конденсации создает ветры, которые переносят влагу на большие расстояния (Луи де Йегер и Квентин Травайе).

Данные из основных речных бассейнов. Эмпирические данные убедительно подтверждают теорию биотического насоса:

Бассейн Амазонки: количество осадков остается постоянным и составляет приблизительно 2300 мм в год на протяжении 2800 километров от побережья вглубь страны, не демонстрируя экспоненциального спада.
Бассейн реки Конго: Аналогичная ситуация наблюдается и в Экваториальной Африке, где стабильное количество осадков составляет около 1900 мм в год на протяжении 2300 километров.
Бассейн Енисея: В Сибири количество осадков внутри страны фактически увеличивается с 430 мм в год в Северном Ледовитом океане до 800 мм в год в 2800 километрах к югу. Эту закономерность нельзя объяснить только пассивной атмосферной циркуляцией, учитывая крайнюю удаленность региона от крупных океанов и низкое содержание влаги в арктических воздушных массах.
Нажмите enter или щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Преобладающие ветры в северном и южном полушариях приводят в действие биотический насос. Анастасия Макарьева, доктор биологических наук, Виктор Горшков, Байлиан Ли (2009): количество осадков на суше в зависимости от расстояния до океана.
Сезонные колебания
Сезонное поведение бореальных лесов Евразии демонстрирует активность насоса. В летние месяцы, когда растительность активно развивается, влага переносится вглубь континента из Атлантического океана (осадки выпадают практически постоянно на всем протяжении). Зимой, когда растительность находится в состоянии покоя, перенос влаги вглубь материка в значительной степени прекращается, и прибрежные осадки остаются вблизи побережья (их количество быстро уменьшается с увеличением расстояния).

Нажмите enter или щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Биотический насос работает в бореальных лесах Евразии в летние месяцы, когда растительность активна и выделяет влагу; в зимние месяцы влага переносится очень незначительно.

Регулирование климата
Биотический насос участвует в других процессах, влияющих на климат.
После того, как при конденсации выделило скрытое тепло, эта энергия может излучаться в космос, в то время как воздух возвращается в океан в верхних слоях тропосферы; из книги «Переоценка глобальной климатической роли естественных лесов для улучшения климатических прогнозов и политики», Анастасия М. Макарьева.
Скрытый перенос тепла
Биотический насос играет решающую роль в терморегуляции планеты за счет динамики скрытого тепла:

Поглощение тепла: для испарения требуется энергия (энтальпия испарения), которая извлекается из окружающей среды и сохраняется в виде скрытого тепла в водяном паре. Это охлаждает поверхность леса.
Вертикальный перенос тепла: Когда влажный воздух поднимается на большие высоты, где температура и давление падают, водяной пар конденсируется, образуя облака низкого уровня, и высвобождает свое скрытое тепло.
Радиационное охлаждение: это тепло выделяется на высоте, где оно может излучаться в космос, когда воздух возвращается к океану в верхних слоях тропосферы, способствуя охлаждению планеты.

Изменение альбедо
Биотический насос также увеличивает образование облаков низкого уровня, что увеличивает альбедо Земли — долю солнечного света, отражаемого обратно в космос. Это обеспечивает дополнительный механизм охлаждения, не зависящий от более широко обсуждаемых парниковых газов. Таким образом, здоровые леса благодаря механизму биотического насоса играют важную роль в управлении распределением водяных паров в атмосфере и связанных с этим климатических воздействиях.

В других публикациях Макарьевой было показано, что отсутствие механизма переноса тепла и облачности на низком уровне способствуют глобальному потеплению. Фактически, это объясняет несоответствие между наблюдаемым потеплением и потеплением, которое моделируется только за счет радиационного воздействия парниковых газов, таких как CO₂, метан и, что наиболее важно, водяного пара.

Экологические последствия
Только нетронутые природные леса могут поддерживать потоки испарения, необходимые для того, чтобы превысить испарение из океана, и приводить в действие насосный механизм (для победы в перетягивании каната).

Сомкнутый полог: Сплошное покрытие деревьями без разрывов с деревьями, произрастающими в рассматриваемых районах (коэволюция).,
Высокий показатель площади листьев: Густая листва обеспечивает максимальную поверхность испарения как у лиственных, так и у хвойных пород; сельскохозяйственные системы с монокультурами не могут воспроизводить функцию биотического насоса
; Связь с прибрежными районами: Леса должны простираться от океанских или морских побережий вглубь страны и превышать критическую ширину.
Нажмите enter или щелкните мышью, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Вырубка лесов Амазонии в Бразилии: последствия, движущие силы и проблемы;

для необратимого разрушения биотического насоса, ответственного за транспортировку влаги в Амазонию, требуется лишь определенный процент потери лесов. Прибрежные леса функционируют как “ворота влаги”. Даже если обширные внутренние леса вначале остаются нетронутыми, уничтожение прибрежной лесной полосы прерывает связь с океаническими источниками влаги, что приводит к разрушению всей системы. Например, вырубленная полоса леса шириной до 600 км, перпендикулярная преобладающим ветрам, может полностью вывести из строя всю континентальную насосную систему. Оставшиеся в глубине материка леса больше не смогут получать влагу из океана и будут терять ее в результате стока, что через несколько лет приведет к опустыниванию по всему континенту.

В естественных лесах действует противоречивый принцип: чем больше влаги испаряется с поверхности земли, тем меньше влаги в конечном итоге теряется. И наоборот, чем меньше влаги испаряется, тем больше влаги теряется. Поддерживая высокие показатели суммарного испарения, леса обеспечивают постоянный приток влаги, превышающий потери стока. Поверхность почвы в ненарушенных лесах с сомкнутым пологом остается постоянно влажной, что проявляется в их низкой подверженности пожарам и способности поддерживать испарение даже в засушливые периоды.

Выводы
Итак, что же это дает нам, глобальной индустриальной цивилизации? Теория биотического насоса в корне меняет представление о лесах, превращая их из пассивных потребителей климатических условий в активных участников региональных, континентальных и глобальных водных циклов. Эта активная роль означает, что сохранение лесов — это не просто сохранение биоразнообразия или накопления углерода, это поддержание базовой гидрологической инфраструктуры, которая делает возможной жизнь на земле и от которой зависит наша цивилизация.

Теория биотического насоса показывает, что долгосрочная стабильность наземных водных циклов, совместимая с человеческой цивилизацией, недостижима без восстановления и защиты естественных, самоподдерживающихся лесов в масштабах всего континента. Ставки выходят за рамки какой-либо одной страны или региона, атмосферные насосы для увлажнения лесов Амазонки, Конго и Евразии работают как системы планетарного масштаба, отказ которых имел бы катастрофические последствия для глобальной доступности воды и стабильности климата.

Peter Wurmsdobler

Оригинал  статьи  здесь https://peter-wurmsdobler.medium.com/the-biotic-pump-how-forests-drive-continental-rainfall-0a377a85e1a4

Рассылка Международного Социально-экологического Союза