stringtranslate.com

Биотический насос

Теория биотического насоса может помочь нам лучше понять роль лесов в круговороте воды.

Биотический насос — это теоретическая концепция, которая показывает, как леса создают и контролируют ветры, поднимающиеся с океана, и таким образом переносят воду в леса, расположенные дальше вглубь суши.

Эта теория могла бы объяснить роль лесов в круговороте воды : деревья впитывают воду из почвы, а микроскопические поры на листьях выделяют неиспользованную воду в виде пара в воздух. Этот процесс известен как эвапотранспирация. Биотический насос описывает, как водяной пар, выделяемый деревьями, может вызывать ветры, которые могут пересекать континенты и доставлять эту влагу в далекие леса. Благодаря этому процессу и тому факту, что листва в лесах имеет площадь поверхности, леса могут доставлять больше влаги в атмосферу, чем испарение из водоема или эквивалентного размера. [1]

Предыдущая гипотеза для этого цикла описывает, как осадки, приносимые ветрами, являются прямым результатом изменений температуры и давления. Гипотеза биотического насоса демонстрирует, насколько важны наши тропические леса для окружающей экосистемы. Тропические леса подвержены антропогенным факторам (например, вырубке лесов), которые могут повлиять на биотический насос; следовательно, повлиять на другие экосистемы, которые полагаются на биотический насос для процветания. Без наших тропических лесов погода была бы менее стабильной, а дожди могли бы уменьшиться в регионах, которые полагаются на биотический насос для воды. [2] Кроме того, мы можем получить более глубокое представление об эволюции покрытосеменных растений , а также о взаимосвязи между экологией и внутренним увлажнением континентов. К 2022 году эта концепция была более широко сформулирована и связана с важностью прекращения вырубки лесов, восстановления гидрологического цикла и планетарного охлаждения. [2] [3]

Концепция

Вид на лес бассейна Амазонки к северу от Манауса, Бразилия.

Термин «биотический насос» подразумевает систему циркуляции, управляемую биологическими процессами. Эта концепция показывает, что леса являются основными факторами в управлении атмосферными процессами для круговорота осадков, поглощаемых деревьями на всех континентах, и обратно в атмосферу для дальнейшего круговорота. [4] Эвапотранспирация в прибрежных лесах создает низкое атмосферное давление, создавая эффект всасывания для втягивания водяного пара из океана. До появления теории биотического насоса считалось, что деревья играют пассивную роль в круговороте воды. [5] Напротив, те, кто разрабатывает концепцию биотического насоса, утверждают, что «лес и деревья являются основными регуляторами в круговороте воды, энергии и углерода». [6] В районах, где в настоящее время испаряется больше осадков (на суше по сравнению с океаном), объем атмосферы уменьшается гораздо быстрее. Это приводит к формированию низкого давления над этим регионом, вызывая большее количество влажного воздуха, чем в районах с меньшим количеством испаряющихся осадков. Это приводит к тому, что влага в воздухе переходит из области высокого давления в область низкого давления. Такие факторы, как полное солнечное сияние в лесных районах и пустынях, могут влиять на перенос влаги в воздухе. Увеличение количества испарения или транспирации приведет к снижению атмосферного давления по мере формирования облаков, что впоследствии приведет к тому, что влажный воздух будет втягиваться в регионы, где эвапотранспирация максимальна. В пустыне это будет соответствовать морю, тогда как в лесу влажный воздух с моря будет втягиваться вглубь суши. Теория предсказывает два различных типа прибрежно-континентальных моделей осадков, во-первых, в лесной зоне нельзя ожидать уменьшения количества осадков по мере продвижения вглубь суши в отличие от обезлесенной области, где наблюдается экспоненциальное уменьшение годового количества осадков. Хотя текущие глобальные климатические модели хорошо соответствуют этим моделям, утверждается, что это связано с параметризацией , а не с достоверностью теорий. [7]

Развитие теории

Атмосферная влага течет вокруг и через коренные леса в Фангареи, Аотеароа (Новая Зеландия)

Теория биотического насоса была разработана учеными Анастасией Макарьевой и покойным Виктором Горшовым, российскими физиками-теоретиками, работавшими в Отделении теоретической физики Петербургского института ядерной физики. [8] Доктор Макарьева проводила время в рекреационных и профессиональных целях в северных лесах России, крупнейшем массиве деревьев на планете. Она утверждает, что общепринятое понимание того, что ветры вызываются разницей в температуре воздуха, не полностью объясняет динамику ветра, и пришла к пониманию того, что падение давления, вызванное превращением водяного пара в воду, было более точной моделью. [9] Ее первоначальные исследования в значительной степени игнорировались и критиковались. [10]

Теория представляет собой сдвиг парадигмы от геомеханического взгляда на динамику климата к включению биологии в качестве движущей силы климата. Как таковая теория столкнулась с критикой со стороны основных климатических наук. Фред Пирс объясняет это как отчасти культурное явление. «Наука, как я знаю из сорока лет репортажей, может быть на удивление племенной. Макарьева и Горшков были аутсайдерами: физиками-теоретиками в мире климатологии, русскими в области, где доминируют западные ученые, и, в случае Макарьевой, еще и женщиной». [9]

Считается, что существует четыре наземных центра переработки влаги: бассейн Амазонки, тропические леса Конго, Южная Азия и Индонезийский архипелаг. В частности, гидрологическая динамика бассейна Амазонки до сих пор неясна, но указывает на правдивость гипотезы биотического насоса. Эти процессы способствуют «безопасному рабочему пространству для человечества». [11] Кроме того, теория биотического насоса может помочь объяснить другие природные явления по всему миру. Например, биотический насос может помочь объяснить, почему тропические леса, такие как Амазонка и Конго, способны поддерживать высокое количество осадков, в то время как другие безлесные биомы уменьшают количество осадков по мере продвижения вглубь страны. [4]

Атмосферные (или летающие) реки , ранее называвшиеся тропосферными реками, [12] представляют собой ветры, которые подхватывают водяной пар, выделяемый лесами, и переносят влагу в отдаленные водные бассейны. [1] Эти реки усиливаются биотическим насосом на больших расстояниях. Атмосферная река, которая протекает по Амазонке, движется на юг, обеспечивая бассейн реки Плейт 50% своих осадков. [5] Северо-западные реки Китая получают более 70% своих осадков из Европы и Северной Азии. [13] К 2022 году эта концепция стала широко принятой. [14]

Как биотический насос управляет гидрологическими процессами

Гидрологическая динамика биотического насоса. [6]
  1. Цикл начинается, когда осадки из океана перерабатываются через ландшафты циклами осадков и эвапотранспирации. Через транспирацию и конденсацию леса создают низкое давление, которое вытягивает влажный воздух из океана. [7] [8]
  2. Транспирация и испарение возвращают воду обратно в атмосферу вместе с микробами и летучими органическими соединениями (ЛОС). Воздушные микробы вызывают дождь. [15]    
  3. Биологически обусловленные воздушные потоки переносят атмосферную влагу дальше вглубь суши.
  4. При обеспечении осадков растительность способна выживать и, возможно, процветать, сохраняя лесной покров. Лесные районы имеют более умеренный климат за счет обеспечения транспирационного охлаждения и тени. Свет, проникающий через лесную подстилку, может составлять всего 1% по сравнению с расчищенными соседними территориями. [16] В районах, где больше расчищенных земель подвергается воздействию, преобразование лучистой энергии в ощутимое тепло увеличивается. Лесные районы значительно прохладнее, чем скудно засаженные или голые земли. [17]
  5. Деревья собирают воду, перехватывая туман и влажный воздух. Атмосферная влажность конденсируется на листьях и ветвях. Биомимикрия этого процесса происходит с использованием туманных сетей .    
  6. Кроны деревьев замедляют продвижение дождя к поверхности почвы и смягчают воздействие. Кроме того, за счет предоставления органического вещества и экспорта углерода через корни в микоризную сеть создается почвенный углерод , улучшающий структуру почвы для инфильтрации и хранения воды.
  7. Почвы с повышенной инфильтрацией и скоростью накопления смягчают последствия наводнений. Этому также способствует лесной покров, защищающий почву от эрозии. Вода, просочившаяся в почву, может помочь пополнить водоносные горизонты .

Связь с гидрологическим циклом и климатическим смягчением

Из предполагаемых шести триллионов деревьев на планете осталось около трех триллионов. [9] Наряду с другой наземной и морской растительностью они фотосинтезируют сахара, обеспечивая основополагающий ингредиент жизни и роста. Этот процесс также производит кислород и удаляет углекислый газ из воздуха. Деревья также обеспечивают пищу и древесину и способствуют биоразнообразию. Кроме того, лесные угодья обеспечивают достаточное количество воды для жизни людей и животных, особенно в метко названных тропических лесах .

Напротив, засушливые земли составляют около 41% площади суши Земли и являются домом для двух миллиардов человек. [18] Это хрупкие экосистемы. Неблагоприятные погодные условия и давление со стороны человеческой деятельности могут быстро истощить водные ресурсы.

Проекты по восстановлению растительности дают доказательства того, как регенерация растительности восстанавливает количество осадков. Раджендра Сингх , Водный человек Индии, возглавил движение, которое восстановило несколько рек в Раджастане, увеличив растительный покров с 2% до 48%, охладив регион на 2 градуса Цельсия и увеличив количество осадков. [17] , [19] Проект Великой зеленой стены в Африке был завершен на 15% в 2022 году. Моделирование предполагает, что завершенная стена может снизить среднюю температуру в Сахеле на целых 1,5 градуса Цельсия, но может повысить температуру в самых жарких районах. Количество осадков увеличится, даже удвоившись в некоторых районах. [20] В Китае также есть проект Великой зеленой стены  протяженностью 4500 км, посаженный, чтобы остановить наступление пустыни Гоби .

Фраза «био-дождевой коридор» описывает связанную область леса, которая поддерживает поток атмосферной влаги и осадков. [21] Продолжающаяся вырубка лесов создает риск нарушения потоков атмосферной влаги. В 2022 году были разработаны процессы для моделирования механизма биотического насоса, чтобы определить влияние вырубки лесов и влияние разрыва леса на потоки атмосферной влаги. [22]

Существует большая потребность в дальнейшем понимании этой динамики «Лесные водные и энергетические циклы плохо интегрированы в региональное, национальное, континентальное и глобальное принятие решений по адаптации к изменению климата , смягчению его последствий, землепользованию и управлению водными ресурсами. Это ограничивает способность человечества защищать климат нашей планеты и ее жизнеобеспечивающие функции». [6]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Спорная российская теория утверждает, что леса не просто производят дождь — они создают ветер". www.science.org . Получено 04.03.2023 .
  2. ^ ab Bunyard, Peter Paul (2015-08-21). Как биотический насос связывает гидрологию и тропический лес с климатом: ¿Это реально? ¿Как мы можем это доказать?. Universidad Sergio Arboleda. doi :10.22518/9789588745886. ISBN 9789588745893.
  3. ^ Шварц, Джудит Д. «Вырубка лесов может изменить локальный и глобальный климат». Scientific American . Получено 29 декабря 2017 г.
  4. ^ ab Sheil, Douglas (2018-03-20). «Леса, атмосферная вода и неопределенное будущее: новая биология глобального водного цикла». Лесные экосистемы . 5 (1): 19. doi : 10.1186/s40663-018-0138-y . ISSN  2197-5620.
  5. ^ ab Bunyard, Peter (2014). Как биотический насос связывает гидрологический и тропический лес с климатом: это реально? Как мы можем это доказать?. Universidad Sergio Arboleda. ISBN 978-958-8745-89-3.
  6. ^ abc Эллисон, Дэвид; Моррис, Синди Э.; Локателли, Бруно; Шейл, Дуглас; Коэн, Джейн; Мурдиярсо, Дэниел; Гутьеррес, Виктория; Нордвейк, Майне фургон; Крид, Ирена Ф.; Покорный, Ян; Гаво, Дэвид; Спраклен, Доминик В.; Тобелла, Аида Баргес; Ильстедт, Ульрик; Теулинг, Адриан Дж. (01 марта 2017 г.). «Деревья, леса и вода: интересные идеи для жаркого мира». Глобальное изменение окружающей среды . 43 : 51–61. дои : 10.1016/j.gloenvcha.2017.01.002 . ISSN  0959-3780.
  7. ^ ab Шейл, Дуглас; Мурдиярсо, Дэниел (2009-04-01). «Как леса привлекают дождь: исследование новой гипотезы» . BioScience . 59 (4): 341–347. doi :10.1525/bio.2009.59.4.12. ISSN  0006-3568. S2CID  85905766.
  8. ^ ab Макарьева, AM; Горшков, VG (2007-03-27). "Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила гидрологического цикла на суше". Гидрология и науки о системах Земли . 11 (2): 1013–1033. doi : 10.5194/hess-11-1013-2007 . ISSN  1027-5606.
  9. ^ abc Пирс, Фред (2021). Триллион деревьев: как мы можем восстановить лесной покров в нашем мире. Лондон. С. 62–63. ISBN 978-1-78378-691-6. OCLC  1232226703.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  10. ^ Meesters, AGCA; Dolman, AJ; Bruijnzeel, LA (2009-01-16). "Комментарий к статье "Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила гидрологического цикла на суше" А. М. Макарьевой и В. Г. Горшкова, Hydrol. Earth Syst. Sci., 11, 1013–1033, 2007". Обсуждения гидрологии и наук о системах Земли . 6 (1): 401–416. doi : 10.5194/hessd-6-401-2009 .
  11. ^ Вундерлинг Н., Вольф Ф., Тюйненбург О.А., Стаал А. (ноябрь 2022 г.). «Сетевые мотивы формируют четкое функционирование центров переработки влаги на Земле». Природные коммуникации . 13 (1): 6574. doi : 10.1038/s41467-022-34229-1. ПМЦ 9630528 . ПМИД  36323658. 
  12. ^ Чжу, Йонг; Ньюэлл, Реджинальд Э. (1994-09-01). «Атмосферные реки и бомбы». Geophysical Research Letters . 21 (18): 1999–2002. doi : 10.1029/94GL01710 .
  13. ^ Чжао, Тунтиган; Чжао, Цзяньши; Ху, Хунчхан; Ни, Гуанхэн (01 марта 2016 г.). «Источник атмосферной влаги и осадков в бассейнах основных рек Китая». Границы науки о Земле . 10 (1): 159–170. дои : 10.1007/s11707-015-0497-4. ISSN  2095-0209. S2CID  55778662.
  14. ^ "Что такое атмосферные реки?". Australian Geographic . 2022-10-09 . Получено 2023-04-08 .
  15. ^ Šantl-Temkiv T, Amato P, Casamayor EO, ​​Lee PK, Pointing SB (июль 2022 г.) . «Микробная экология атмосферы». FEMS Microbiology Reviews . 46 (4). doi :10.1093/femsre/fuac009. PMC 9249623. PMID  35137064. 
  16. ^ Чаздон, Р. Л.; Фетчер, Н. (1984), Медина, Э.; Муни, Х. А.; Васкес-Янес, К. (ред.), «Световая среда тропических лесов», Физиологическая экология растений влажных тропиков: Труды международного симпозиума, состоявшегося в Оксатепеке и Лос-Тустласе, Мексика, с 29 июня по 6 июля 1983 г. , Задачи по науке о растительности, т. 12, Дордрехт: Springer Netherlands, стр. 27–36, doi : 10.1007/978-94-009-7299-5_4, ISBN 978-94-009-7299-5, получено 2022-11-14
  17. ^ ab Брюс-Ири, Питер (2022). Как растения охлаждают и лечат климат: поиск решений рядом с домом. Фангареи, Новая Зеландия. ISBN 978-0-473-63353-0. OCLC  1349731259.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  18. ^ "Засушливые земли - Глобальная оценка". www.fao.org . Получено 2022-11-14 .
  19. ^ "Хранители природы: как доктор Раджендра Сингх, водолаз Индии, начал свой путь к сохранению водных ресурсов". The Weather Channel . Получено 14.11.2022 .
  20. ^ «Великая зеленая стена Африки может иметь далеко идущие климатические последствия». 2022-01-03 . Получено 2022-11-14 .
  21. ^ Ло, Альфа. «Биодождевой коридор». climatewaterproject.substack.com . Получено 14.11.2022 .
  22. ^ Кантин, Гийом; Вердьер, Натали (2020-08-01). "Сети лесных экосистем: математическое моделирование их механизма биотического насоса и устойчивости к определенной вырубке лесов". Ecological Complexity . 43 : 100850. doi : 10.1016/j.ecocom.2020.100850 . ISSN  1476-945X.